Квантовий монізм може врятувати душу фізики

"Найбільш незрозуміле у Всесвіті те, що він зрозумілий”, — сказав якось Альберт Айнштайн. Сьогодні, однак, вчені далекі від консенсусу, чи зрозумілий Всесвіт, а навіть чи він бодай унікальний. Фундаментальна фізика наштовхнулася на кризу, пов’язану з двома популярними концепціями — мультивсесвіту і “бридкого Всесвіту”.

 

Прихильники теорії мультивсесвіту відстоюють погляд про те, що існує безмежна кількість паралельних світів, у яких навіть може бути різна кількість просторових вимірів та різні закони фізики. Звідси навіть випливає ідея, що і ви, і я, і все може існувати в безмежній кількості копій. “Мультивсесвіт може бути найнебезпечнішою ідеєю в науці”, — стверджує космолог із Південної Африки Джордж Елліс.

 

Починаючи з ранніх днів науки, якщо вчені раптом виявляли якийсь дивний збіг, то починали шукати його причини. Наприклад, закони фізики, як виглядає, точно налаштовані так, щоб могли існувати розумні створіння, здатні відкривати ці самі закони. Такий збіг потребує пояснення.

 

Концепція мультивсесвіту, мабуть, проливає світло на цю проблему. Яким би неймовірним не здавався цей збіг, він мав би десь існувати. І якщо це так і ці закони підтримують появу складних структур, життя і свідомості, то нас не повинно дивувати, що ми народилися саме у тому всесвіті, який дозволяє нам існувати. Але з цього “антропного принципу” випливає те, що ми не можемо нічого передбачати. Адже немає жодного фундаментального закону, який би можна було відкрити, окрім випадкових і хаотичних властивостей безконечних світів. У фізиків, що шукають нові частинки у CERN, не було б жодного керівного принципу.

 

Досить відмінною, але все-таки не меншим викликом, є концепція “бридкого Всесвіту”. На думку фізика-теоретика Сабіни Госсенфельдер, сучасну фізику звело на манівці її прагення всюди бачити “красу”, що зумовило появу багатьох математично елегантних, але спекулятивних фантазій без жодного зв’язку з експериментальними даними. За її словами, “фізика заблукала в математиці”. Але у такому разі те, що фізики називають “красою”, є структурами та симетріями. Якщо ми більше не можемо спиратися на такі концепції, то й відмінність між розумінням та звичайною відповідністю експерименту також стає розмитою.

 

Обидва виклики мають певне виправдання. “Чому закони природи мають перейматися тим, що я сприймаю як прекрасне?” — справедливо запитує Госсенфельдер. Відповідь: “Вони не повинні!” Звісно, природа може бути складною, хаотичною і незрозумілою — якби вона була класичною. Але вона такою не є. Вона є квантово-механічною. І якщо класична фізика — це наука нашого щоденного життя, в якому речі існують як окремі розрізнені об'єкти, то квантова механіка ґрунтується на зовсім інших постулатах. Стан вашої машини, наприклад, не пов’язаний із кольором сукні вашої дружини. У квантовій теорії все навпаки. Речі, які колись побували у випадковому контакті, залишаються пов’язаними, що Айнштайн назвав “моторошною дією на відстані”. Такі кореляції утворюють структури, а структури водночас є красою.

 

Натомість мультивсесвіт, здається, важко заперечити. Квантова механіка неначе закохана у нього. Якщо вистрілювати окремими електронами на екран з двома щілинами, то можна побачити інтерференційний рисунок на детекторі позаду екрана. Виглядає так, наче кожен електрон пройшов крізь дві щілини одночасно.

 

Квантова фізика — це наука в основі ядерних вибухів, смартфонів та зіткнення елементарних частинок. Вона також зазнала слави завдяки бідолашному котові Шредінгера, який застряг у пограничному стані між життям та смертю. В квантовій механіці різні реальності, такі як “частинка там — частинка тут” або “живий кіт — мертвий кіт”, накладаються одна на одну, наначе хвилі на поверхні озера. Це називається “суперпозицією”, яка зумовлює появу інтерференційних рисунків у частинок або хвиль.

 

Хоча квантова механіка виникла для опису мікроскопічного світу, останніми роками з’являються підтвердження, що вона керує і великими об’єктами — якщо ті достатньо ізольовані від свого середовища. Якось, однак, наше щоденне життя виглядає захищеним від квантових ефектів. Ніхто ніколи не бачив живого і мертвого водночас кота, а якщо виміряти положення частинки, то можна отримати чітко визначений результат.

 

Пряма спроба пояснити це полягає у тому, що всі можливі опції реалізуються в паралельних світах або “розгалуженнях Еверетта”, названих на честь Г’ю Еверетта, який першим обґрунтував ідею, відому як “інтерпретація багатьох світів”. Ця інтерпретація насправді є лише одним із чотирьох варіантів гіпотези мультивсесвіту, які описані в статті Макса Теґмарка у Scientific American у травні 2003 року. Два інших не такі цікаві, адже одна з них полягає в тому, що “мультивсесвіт” — це лише різні регіони нашого власного Всесвіту, а інша ґрунтується на спекулятивній ідеї, що матерія — це математика. Третя (до якої ми повернемось пізніше) припускає, що мультивсесвіт — це "ландшафт теорії струн".

 

Тобто якщо звернутися до квантової механіки, може скластися враження, що заради краси теорії принесли в жертву одиничність Всесвіту. Але такий висновок випливає хіба з поверхневого погляду. Натомість поза увагою зазвичай залишається те, що мультивсесвіт Еверетта не є фундаментальним. Він лише видимий або “емерджентний”, як його назвав філософ Девід Воллес з Університету Південної Каліфорнії.

 

Щоб оцінити цей погляд, належить звернутися до принципу, який лежить в основі як “квантових вимірювань”, так і “моторошної дії на відстані”. Цей принцип відомий як “заплутаність”, і його обґрунтував у 1935 році Альберт Айнштайн спільно з Борисом Подольським та Натаном Розеном. Згідно з цим принципом, система з двох заплутаних спінів, що додаються до нуля, може бути утворена із суперпозиції пари спінів з протилежними напрямками, тоді як напрямок, у якому вказують окремі спіни, залишається абсолютно необумовленим. Заплутаність — це спосіб інтегрувати пари в ціле, в якому індивідуальні властивості елементів системи перестають існувати заради тісно пов’язаного цілого.

 

Коли квантову систему вимірюють, тобто поєднують зі своїм середовищем, заплутаність відіграє ключову роль. Квантова система, спостерігач та решта Всесвіту стають заплутаними між собою. З погляду місцевого спостерігача, інформація розсіюється у невідомому середовищі. Тут у справу втручається процес, званий декогеренцією, який був уперше відкритий Дітером Цехом у 1970 році. Декогеренція — це втручання класичності: вона описує втрату квантових властивостей, коли система взаємодіє з навколишнім середовищем. Це чимось нагадує відкривання замка-блискавки між різними паралельними квантовими реальностями. З позиції спостерігача, Всесвіт враз розщеплюється на окремі Евереттові розгалуження. Тобто спостерігач бачить або живого, або мертвого кота — і нічого між ними. Світ для нього виглядає класичним, але в перспективі він і далі залишається квантовим. Власне, з цього погляду весь Всесвіт є квантовим об’єктом.

 

Саме тут на авансцену і виходить “квантовий монізм”, прихильником якого, зокрема, є філософ з Ратґерського університету Джонатан Шеффер. Шеффер розмірковував над питанням, з чого утворений Всесвіт. Згідно з квантовим монізмом, в його основі — не сума частинок чи струн, а єдиний заплутаний квантовий стан.

 

Схожі думки висловлювали і раніше — наприклад, фізик і філософ Карл Фрідріх фон Вайцзеккер. Якщо квантову механіку розглядати серйозно, то з неї випливає єдина й унікальна квантова реальність, яка лежить в основі Всесвіту. Однорідність і невеликі коливання температури космічного мікрохвильового випромінювання, які вказують на те, що весь спостережуваний Всесвіт можна звести до єдиного квантового стану, який зазвичай пов’язують із квантовим полем в основі первісної інфляції, підтверджують цей погляд.

 

Цей висновок поширюється також і на інші концепції мультивсесвіту — наприклад, на ідею, згідно з якою у різних долинах “ландшафту теорії струн” чи “дитячих всесвітах”, які постійно виникають у космічній інфляції, наче бульбашки, діють різні закони фізики. Оскільки заплутаність є універсальною, вона не завершується на кордонах нашого клаптика космосу. Яку б ви не взяли концепцію мультивсесвіту, з теорії квантового монізму випливає те, що вони всі є частинами єдиного цілого. Завжди є фундаментальний шар реальності, який лежить в основі багатьох світів всередині мультивсесвіту, і цей шар є єдиним.

 

Як квантовий монізм, так і теорія багатьох світів Еверетта випливають із квантової механіки, якщо її трактувати серйозно. Відрізняє ж ці погляди хіба перспектива. Що з перспективи місцевого спостерігача може виглядати як багато світів, у глобальних масштабах насправді є лише одним унікальним Всесвітом (наприклад, для гіпотетичного спостерігача, який міг би дивитися ззовні на весь Всесвіт). (Можна стверджувати, що до розуміння такої будови Всесвіту прийшов ще Святий Августин (354430), який опирався на вчення неоплатоніків про еманацію рівнів буття із першооснови, званої "Єдине". Намагаючись примирити свободу волі і всевідання Бога, Августин вважав, що щоразу, коли ми робимо вибір, із множини варіантів розвитку ситуації перед нами постає лише один, проте всі вони існують у вічності, у свідомості Бога. Це нагадує сучасні уявлення про декогеренцію, відгалуження Еверетта та мультивсесвіт, —​ прим. перекл.).

 

Іншими словами, “багато світів” — це лише те, як квантовий монізм виглядав би для спостерігача, який має обмежену інформацію про Всесвіт. Власне, оригінальна мотивація Еверетта полягала в описі всього Всесвіту з погляду “універсальної хвильової функції”. Це нагадує погляд крізь сегментоване вікно: природа виглядає поділеною на окремі частини, але це лише з нашої перспективи.

 

Як монізму, так і концепції багатьох світів можна уникнути, але якщо комусь вдасться змінити формалізм квантової механіки — зазвичай у способи, які не конфліктують зі спеціальною теорією відносності Айнштайна, — або збагнути квантову механіку не як теорію про природу, а як теорію про знання, що є радше гуманітарною концепцією, ніж наукою.

 

Як виглядає, квантовий належить зрозуміти як ключовий концепт у сучасній фізиці. Він пояснює, чому “краса”, яку розуміють як структуру, кореляцію та симетрію серед, на перший погляд, незалежних сфер природи, є не “непродуманим естетичним ідеалом”, а наслідком походження природи із єдиного квантового стану. Крім того, монізм виймає колючку із мультивсесвіту, коли він передбачає кореляції, які трапляються не лише в специфічному “дитячому” всесвіті, а й у будь-якій гілці мультивсесвіту — такій, як протилежні напрямки заплутаних спінів у стані Айнштайна-Подольського-Розена.

 

Зрештою, квантовий монізм дозволяє згладити кризу в експериментальній фізиці, яка потребує дедалі більших колайдерів для вивчення дедалі менших елементів природи — передусім тому, що найменші елементи не є фундаментальною основою реальності. Під час вивчення основ квантової механіки однаково корисними можуть бути як нові сфери у квантовій теорії поля, так і найбільші структури в космології.

 

Це не означає, що будь-яке спостережуване співпадіння вказує на основи фізики або що будь-які уявлення про красу повинні реалізовуватися в природі — але звідси випливає, що ми не повинні переставати їх шукати. Квантовий монізм як такий має потенціал врятувати душу науки — переконання, що існує єдина, пізнавана і фундаментальна реальність.

 


Heinrich Päs
Quantum Monism Could Save the Soul of Physics
Scientific American, 5.03.2019
Зреферував Є. Л.

09.03.2019