Универсальная волновая функция

Подход Эверетта к проблеме измеримости с точки зрения объединения макроскопического и квантового миров резко противоречил копенгагенской интерпретации. Эверетт сделал наблюдателя неотъемлемой частью наблюдаемой системы, введя универсальную волновую функцию, связывающую наблюдателя (точнее, наблюдателя и измерительный прибор) и объекты наблюдения в единую квантовую систему. Он дал квантово-механическое описание макроскопического мира и считал макрообъекты также находящимися в состоянии квантовой суперпозиции. Отойдя от Бора и Гейзенберга, он сумел обойтись без добавления новых постулатов о коллапсе волновой функции.

Радикально новая идея Эверетта состояла в том, чтобы задать вопрос: «А что если процесс измерения не прерывает эволюции волновой функции? Что если уравнение Шредингера применимо всегда и ко всему — и к объектам наблюдения, и к наблюдателям? Что если ни один из элементов суперпозиции никогда не исчезает из реальности? Как будет выглядеть для нас такой мир?»

Эверетт увидел, что при таких допущениях волновая функция наблюдателя разветвляется при каждом его взаимодействии с объектом. Универсальная волновая функция будет иметь по одной ветви для каждой возможной реализации эксперимента, а у каждой из них будет своя копия наблюдателя, воспринимающего только один единственный результат измерений. Согласно фундаментальным математическим свойствам уравнения Шредингера, однажды сформировавшиеся ветви больше не влияют друг на друга. Таким образом, каждая из них приходит к своему будущему, отличному от будущего других ветвей.

Рассмотрим наблюдателя, изучающего частицу, которая является суперпозицией двух возможных состояний (например, электрон, находящийся в одном из двух положений — А или В). Согласно первой ветви, наблюдатель воспринимает электрон как находящийся в положении А. По идентичной альтернативной ветви копия этого наблюдателя воспринимает тот же самый электрон как находящийся в положении В.

Каждая копия наблюдателя осознает реализацию лишь одной физической возможности из всего набора, хотя в полной реальности существуют все эти альтернативы. Чтобы объяснить, как мы будем воспринимать такую реальность, необходимо рассматривать наблюдателя и объект наблюдения как единое целое. Однако процесс разветвления волновой функции происходит независимо от присутствия человека. В связи с этим надо признать, что волновая функция разветвляется при каждом взаимодействии двух физических систем.

Современное представление о том, как разделившиеся ветви волновой функции становятся независимыми и представляются классическими реальностями, к которым мы привыкли, называется теорией квантовой декогерентности. Она стала признанной частью современной квантовой теории, хотя на сегодняшний день не все соглашаются с интерпретацией Эверетта, согласно которой все ветви волновой функции представляют фактически существующие реальности.

Эверетт был не первым физиком, критиковавшим копенгагенский постулат о коллапсе волновой функции как неудовлетворительный. Но он был первопроходцем, выведшим математически непротиворечивую теорию универсальной волновой функции из уравнений квантовой механики. Важно отметить, что существование множества альтернативных миров напрямую следовало из его теории, а не постулировалось. В примечании к своей диссертации Эверетт написал: «С точки зрения теории все элементы суперпозиции (все “ветви”) “реальны” и ни одна из них не более “реальна”, чем остальные». Исходный вариант его диссертации, содержавший все эти идеи, был обнаружен пять лет назад в ходе архивных розысков историком науки Оливалом Фрейре мл. (Olival Freire, Jr.), работающим в Федеральном университете в г. Сальвадор (Баия) в Бразилии. Весной 1956 г. научный руководитель Эверетта в Принстонском университете Джон Арчибальд Уилер (John Archibald Wheeler) взял диссертацию своего ученика в Копенгаген, чтобы убедить Королевскую Датскую академию наук и литературы опубликовать ее. Он написал Эверетту, что имел «три продолжительные ожесточенные дискуссии» с Бором и Петерсеном. Также Уилер показал работу Эверетта еще нескольким ученым из Института теоретической физики им. Нильса Бора, в числе которых был и Александр Штерн (Alexander Stern). Расщепления

В письме к Эверетту Уилер сообщал: «Ваш изящный формализм в определении волновой функции остается, без сомнения, незыблемым, но все мы чувствуем, что главную проблему составляют слова, которыми должны определяться понятия этого формализма».В частности, Уилера беспокоило использование Эвереттом слова «расщепление» применительно к людям и пушечным ядрам. В его письме чувствуется ощущение дискомфорта сторонников копенгагенской интерпретации по отношению к работе Эверетта. Штерн отверг теорию Эверетта как «теологическую», а Уилер не был склонен спорить с Бором.

В длинном вежливом письме Штерну он объяснял и оправдывал теорию Эверетта как обобщение, а не опровержение общепринятого истолкования квантовой механики: «Полагаю, я имею право сказать, что этот прекрасный и очень способный молодой человек постепенно пришел к осознанию, что данный подход к проблеме измерений является правильным и непротиворечивым, несмотря на то что некоторые следы прежнего неоднозначного и сомнительного подхода сохранились. Поэтому во избежание дальнейшего недопонимания позвольте мне сказать, что диссертация Эверетта не подвергает сомнению существующий подход к проблеме измерений, а обобщает его».

Эверетт не мог согласиться с такой трактовкой его мнения о копенгагенской интерпретации. Годом позже, отвечая на критику со стороны редактора журнала Reviews of Modern Physics Брайса ДеВитта (Bryce W. DeWitt), он писал: «Копенгагенская интерпретация безнадежно неполна, так как она априори опирается на классическую физику... Кроме того, со своей концепцией «реальности» макроскопического мира и отказом в таковой миру микрокосмоса она чудовищна в философском отношении».

Пока Уилер был в Европе, защищая свою позицию, Эверетт чтобы избежать службы в армии, решил согласиться на исследовательскую работу в Пентагоне. Он уехал в Вашингтон и больше никогда не возвращался к теоретической физике. Однако в течение следующего года он на расстоянии общался с Уилером, неохотно сократив свою диссертацию вчетверо.

В апреле 1957 г. диссертационный совет одобрил последний вариант — без «расщеплений». Тремя месяцами позднее журнал Reviews of Modern Physics опубликовал его под заголовком «Об основаниях квантовой механики». В том же номере был опубликован с положительный отзыв Уилера на работу своего аспиранта. Будучи опубликованной, работа сразу же была забыта. Уилер постепенно начал отдаляться от всего, что было связано с теорией Эверетта, но он все еще продолжал общаться с ним и безуспешно побуждал его продолжать работу в области квантовой механики.

В 2007 г. в интервью Уилер, которому тогда было 95 лет, сказал, что Эверетт «был разочарован и, видимо, очень горько, отсутствием реакции на его теорию. Я бы очень хотел продолжить общение с ним. Поставленные им вопросы очень важны». Стратегии ядерной войны Принстонский университет присвоил Эверетту докторскую степень через год после начала работы над первым проектом Пентагона: расчетом возможного коэффициента смертности от радиоактивных осадков в случае ядерной войны. Очень скоро Эверетт возглавил математический отдел почти неизвестной, но очень влиятельной Группы оценки систем вооружений (Weapons Systems Evaluation Group, WSEG) Пентагона.

Эверетт консультировал высших чиновников администраций Эйзенхауэра и Кеннеди по наилучшим методам выбора целей для водородных бомб и структурирования ядерной триады — бомбардировщиков, подводных лодок и ракет наземного базирования — для оптимизации удара в ядерной войне.

В 1960 г. Эверетт участвовал в составлении аналитического отчета № 50 WSEG, остающегося секретным по сей день. По словам друга и коллеги Эверетта Джорджа Пью (George E. Pugh), а также данным историков, этот отчет совершенствовал и продвигал военные стратегии, которые оставались актуальными в течение десятилетий, включая концепцию гарантированного взаимного уничтожения. WSEG снабжала главных организаторов ядерной военной программы настолько устрашающей информацией о глобальных эффектах радиоактивных осадков, что многие пришли к убеждению в преимущественном применении ядерных сил в качестве средства сдерживания.

Данное решение было принято вопреки мнению многих влиятельных лиц, продвигавших идеи превентивного нападения на Советский Союз, Китай и другие страны социалистического лагеря. В этот же период разыгрался последний этап борьбы вокруг теории Эверетта. Весной 1959 г. Бор согласился встретиться с Эвереттом в Копенгагене. Бор не изменил своей позиции, а Эверетт не вернулся к исследованиям по квантовой механике. Однако поездка все же принесла плоды: однажды, потягивая пиво в копенгагенском отеле Osterport, Эверетт написал на бланке отеля важное усовершенствование другого математического приема, обобщенного метода множителей Лагранжа, получившее название «алгоритм Эверетта». Он упрощает поиски оптимальных решений сложных логистических задач, начиная от развертывания ядерных вооружений и своевременной разработки планов промышленного производства, заканчивая оптимизацией маршрутов для школьных автобусов. А в 1964 г. Эверетт, Пью и несколько их коллег по WSEG основали частную оборонную компанию Lambda Corporation. Среди прочего она занималась разработкой математических моделей противоракетных систем и компьютерных игр, имитирующих ядерные войны. По словам Пью, военные еще много лет пользовались этими программами. Эверетт с энтузиазмом разрабатывал приложения теоремы Байеса, математического метода корреляции вероятностей будущих событий с опытом прошлого.

В 1971 г. он построил прототип байесовской машины — компьютерной программы, изучающей опыт прошлого и упрощающей принятие решений, выводя вероятные развития событий почти так же, как это делает человеческий мозг. В 1973 г. Эверетт оставил Lambda Corporation и вместе со своим коллегой Дональдом Рейслером (Donald Reisler) основал компанию DBS по обработке информации. Несмотря на то что фирма принимала заказы от военных ведомств, основная ее специализация заключалась в анализе социально-экономических эффектов позитивных правительственных программ.

Рейслер вспоминает, что когда они впервые встретились, Эверетт застенчиво спросил, читал ли он его статью 1957 г. «Я на минуту задумался, а потом воскликнул: «Боже мой, вы — тот самый Эверетт, тот сумасшедший, что написал эту безумную статью! Я прочел ее аспирантом, похихикал и отбросил». Вскоре они стали близкими друзьями, но договорились никогда больше не упоминать о множественности миров. Обед с тремя «Мартини» Несмотря на все успехи, Эверетт переживал тогда не самый лучший период в своей жизни. За ним закрепилась репутация сильно пьющего человека, а друзья говорили, что это пристрастие со временем усугубилось. По словам Рейслера, его партнер за обедом выпивал по три «Мартини», затем спал в офисе, по непонятным причинам умудряясь сохранять продуктивность в работе.

Однако гедонизм Эверетта не выражался в легком, веселом отношении к жизни. «Он не был приятным человеком, — говорит Рейслер. — Он привносил в изучение вещей холодную жестокую логику. Понятие гражданских прав не имело для него значения». Бывший коллега Эверетта по WSEG Джон Барри (John Y. Barry) сомневается и в его порядочности. В середине 1970-х гг. Барри убедил своих работодателей из компании J.P. Morgan нанять Эверетта для разработки байесовского метода прогнозирования событий на фондовых биржах. Высказывалось мнение, что Эверетт справился с поставленной задачей, но отказался передать результаты своей работы нанимавшей его компании. По словам Барри он был блестящим новатором, но ненадежным человеком. Эверетт считался эгоистом. «Хью любил поддерживать некий крайний солипсизм, — говорит бывший работник компании DBS Илейн Цзян (Elaine Tsiang). — «Хотя он старался отделить свою теорию множества миров от любых теорий разума и сознания, мы все, несомненно, были обязаны своим существованием миру, который он создал сам».

И он не хотел замечать своих детей, Элизабет и Марка. Пока Эверетт продвигал свою предпринимательскую карьеру, мир физики начал внимательно присматриваться к его отвергнутой некогда теории. ДеВитт изменил свое мнение на противоположное и стал самым рьяным ее сторонником. В 1967 г. он опубликовал статью, в которой ввел уравнение Уилера-Де-Витта — универсальную волновую функцию, удовлетворяющую квантовой теории гравитации (волновую функцию Вселенной). ДеВитт отметил, что именно Эверетт продемонстрировал необходимость такого подхода. Позже, редактируя вместе со своим аспирантом Нилом Грэмом сборник статей The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics («Многомировая интерпретация квантовой механики»), ДеВитт принял решение включить в него и полный вариант диссертации Эверетта. Словосочетание «множество миров» прочно закрепилось не только в научном мире, но и среди любителей фантастики.

Однако не все были согласны с тем, что от копенгагенской интерпретации нужно отказаться. Физик Дэвид Мермин (N. David Mermin) из Корнеллского университета настаивал на том, что в интерпретации Эверетта волновая функция является частью объективно реального мира, а он видит в ней лишь математический инструмент. «Волновая функция — это творение человека, — говорит Мермин. — Ее назначение — дать нам возможность осмысливать результаты наших макроскопических наблюдений. Моя точка зрения прямо противоположна многомировой интерпретации. Квантовая механика — это средство, позволяющее нам делать наши наблюдения понятными, а говорить, что мы находимся внутри квантовой механики и что квантовая механика должна быть применима к нашему восприятию, — нелогично».

Однако многие физики считают, что теорию Эверетта следует воспринимать всерьез. «Когда в конце 1970-х гг. я услышал об интерпретации Эверетта, я подумал, что это бред сумасшедшего, — говорит физик-теоретик Стивен Шенкер из Стэнфордского университета. — Сегодня большинство известных мне людей, занимающихся теорией струн и квантовой космологией, мыслят в русле данной интерпретации. А в связи с недавними успехами в области квантовых вычислений эти вопросы перестают быть чисто академическими». Один из пионеров теории декогерентности Войцех Зюрек (Wojciech Zurek) Национальной лаборатории в Лос-Аламосе отмечает: «Достижение Эверетта состоит в утверждении, что квантовая теория должна быть универсальной, что не должно быть разделения Вселенной на нечто априори классическое и нечто априори квантовое.

Он дал нам возможность использовать квантовую теорию для описания измерений в целом». Специалист по теории струн Хуан Малдасена (Juan Maldacena) из Института передовых исследований в Принстоне так выражает свою позицию: «Когда я думаю о теории Эверетта с точки зрения квантовой механики, она представляется мне настолько разумной, что я готов поверить в нее. В повседневной жизни я в нее не верю».

В 1977 г. ДеВитт и Уилер пригласили Эверетта выступить с докладом о своей интерпретации в Техасском университете в Остине. Надо сказать, что Эверетт терпеть не мог публичных выступлений, на докладе был в мятом черном костюме и все время курил. Присутствовал там и Дэвид Дойч (David Deutsch), основатель теории квантовых вычислений (толчком к созданию которой и послужила теория Эверетта), работающий в данный момент в Оксфордском университете. «Он опередил свое время, — говорил Дойч, подводя итог выступлению Эверетта. — Своей позицией он демонстрировал непонимание людей, отрицающих объективную реальность: ведь отречение от первоначальной цели науки — объяснения природы мира — нанесло огромный вред развитию физики и философии. Мы безнадежно увязли в формализме и воспринимали ход вещей как прогресс, который ничего не объясняет, а вакуум был заполнен мистикой, верой и всяким вздором. Заслуга Эверетта в том, что он противостоял всему этому». После поездки в Техас Уилер попытался привлечь Эверетта в Институт теоретической физики в Санта-Барбаре, но в итоге из этого так ничего и не вышло. Всеобщность восприятия Эверетт скончался 19 июля 1982 г. в своей постели. Ему был всего 51 год. Безжизненное тело отца обнаружил девятнадцатилетний Марк и, почувствовав холод мертвого тела, понял, что никогда раньше не прикасался к своему отцу. «Я не знал, как отнестись к тому, что мой отец умер, — сказал он мне. — Мы были совершенно чужими друг для друга». Вскоре Марк, переехав в Лос-Анджелес, стал преуспевающим автором песен и лидером популярной рок-группы «Угри». Многие из его песен отражают грусть, которую он испытал в своем детстве, живя с подавленным, пьющим и эмоционально отчужденным человеком. И только спустя годы сын узнал о достижениях своего отца в карьере и науке.

Первую из многих попыток покончить с собой сестра Марка Элизабет предприняла в июне 1982 г. Брат успел вовремя доставить в больницу, а вернувшись вечером домой, рассказал об этом отцу. Тот лишь «поднял глаза от газеты и сказал: “Я не знал, что ей так тоскливо”». В 1996 г. она приняла смертельную дозу снотворного. В своем предсмертной записке она написала, что хочет встретиться с отцом в другом мире.

В песне 2005 г. Things the Grandchildren Should Know («Что должны знать внуки») Марк писал: «Я никогда по-настоящему не мог понять, что должно было нравиться ему, замкнувшемуся в собственном мире». Его эгоистичный отец должен был понимать неразрешимость этой дилеммы. В первоначальном варианте своей диссертации Эверетт написал: «Раз мы признаем, что любая физическая теория есть лишь модель воспринимаемого нами мира, мы должны отказаться от надежды найти нечто похожее на истинную теорию <...> просто потому, что никогда не сможем достичь всеобщности восприятия».

параллельные вселенные, множество миров, Хью Эверетт, в мире науки

23 Марта 2011, 10:23 Den 5028 7Поделиться

Комментарии (7):

Alelloplelles • 17 Ноября 2011, 16:05

Представление о том, что наша Вселенная может быть лишь одной из множества других, за последние двадцать лет превратилось из научной фантастики в имеющую право на жизнь теорию мультивселенной.

Теперь же физики из Стэнфорда попытались подсчитать, сколько же может существовать таких параллельных миров.

За расчёты взялись Андрей Линде и Виталий Ванчурин. Они исходили из следующих предположений. Сразу после Большого взрыва, который являлся квантовым процессом, вызвавшим различные квантовые колебания, происходило быстрое расширение (инфляция) Вселенной.

Из-за большой скорости вскоре в отдельных регионах квантовые флуктуации были заморожены в виде тех или иных классических условий. Ныне все эти различающиеся области являются отдельными вселенными, и у каждой из них свои законы физики малых энергий.

В своей статье (PDF-документ), авторы работы проанализировали механизм появления тех самых квантовых флуктуаций. И учёные пришли к выводу – количество образовавшихся вселенных равняется десяти в десятой степени в десятой степени в седьмой степени (1010107).

Впрочем, это значение может различаться в зависимости от того, какую модель построить (как отличать отдельные вселенные).

В любом случае число, конечно же, гигантское. Однако наблюдать все вселенные человек не в состоянии, убеждены специалисты из Стэнфорда. Это обусловлено особенностями строения нашего мозга: в течение жизни он не способен воспринять более десяти в шестнадцатой степени (10¹⁶) битов информации (данное предположение выдвинуто в другой работе и поддержано стэнфордскими учёными). В результате получается, что человек не может воспринять более десяти в десятой степени в шестой степени наблюдаемых конфигураций.

И это нормально, утверждают Линде и Ванчурин. Нечего пытаться возвысить себя и полагать, будто все параллельные вселенные доступны человеческому сознанию. К тому же в нашей повседневной жизни квантовые эффекты играют малую роль, а потому мы их можем спокойно игнорировать. Подобные вычисления действительно мало чем полезны для обывателя и имеют значение, пожалуй, только для физиков и астрономов, изучающих квантовые эффекты на супергалактическом уровне.

Когда мы анализируем возможность существования вселенной определённого типа, мы должны помнить, что существует пара вселенная-наблюдатель, которая собственно её и оживляет, а также, что волновая функция всей остальной мультивселенной зависит от времени, пишут физики. Зачем же считать параллельные вселенные? Линде и Ванчурин считают – для того чтобы позже определить вероятность существования жизни во Вселенной с каким-то особым набором свойств. А ещё узнать, каковы были шансы, что мы «окажемся» в мире с физическими законами, соответствующими наблюдаемым (что разрешило бы вопросы, связанные с антропным принципом.

Ответить

Ornanicededay • 4 Декабря 2011, 16:14

Стивен Хокинг трактует целую вселенную как квантовую частицу, которая с разной вероятностью пребывает в бесконечном множестве состояний, образуя мириады возможных миров, из которых наш является лишь наиболее возможным. Волновая функция нашей вселенной - это бесконечное множество параллельных вселенных. Мироздание - мультиверсум: не то, что есть, а совокупность всего, что может быть. Xотя вселенных бесконечное множество и мое тело пребывает лишь в одной из них, то, что мы называем мыслью и особенно душой, возможно, объединяет всех моих двойников в этих бесчисленных мирах. Волновая функция миров проходит через сознание и волю индивида. Оттого каждый миг "я" немного другое, отличается само от себя, постоянно колеблется, размножаясь на собственных глазах.

Ответить

Timi • 6 Декабря 2011, 0:39