Мультивселенная не так уж и фантастична, если углубиться. «Квантовая русская рулетка» и снова этот кот

Мы живем в удивительном мире, где физические законы, которые определяют поведение объектов нашего окружения, не всегда совпадают с теми, которые действуют на уровне атомов и частиц. Этот мир называется квантовым, и он полон загадок и парадоксов. Одним из таких парадоксов является принцип дополнительности, сформулированный знаменитым физиком Нильсом Бором в начале XX века. Согласно этому принципу, квантовые объекты, такие как фотоны или электроны, могут проявлять как свойства частиц, так и волновые, в зависимости от того, как мы их наблюдаем.

Для демонстрации этого принципа часто используется классический опыт Юнга на двух щелях, который впервые провели в 1801 году для изучения света. В этом опыте световой луч направляется на пластину, в которой были прорезаны две параллельные щели, а за ней располагался экран-детектор. В случае, когда свет состоит из частиц, на экране должны будут образоваться два светлых пятна, соответствующих двум щелям. А в случае, когда свет состоит из волн, на экране должна появиться интерференционная картина — чередующиеся светлые и темные полосы, образующиеся за счет взаимного усиления или гашения волн.

Оказалось, что свет проявляет оба этих эффекта в разных условиях. Если мы не знаем, через какую щель прошел каждый фотон (квант света), то мы видим интерференционную картину. Это значит, что каждый фотон проходит через обе щели одновременно и интерферирует с самим собой. Но если мы ставим детекторы у щелей и измеряем путь каждого фотона, то мы видим два пятна. Это значит, что каждый фотон проходит через одну щель и ведет себя как частица. Таким образом, поведение фотона зависит от того, есть ли у нас информация о его пути или нет.

Квантовый ластик

Это уже достаточно удивительно, но есть еще более поразительный эксперимент, который называется квантовым ластиком. В этом эксперименте мы можем стереть информацию о пути, который выбрал фотон и восстановить интерференционную картину даже после того, как фотон достиг экрана. Как это возможно? Для этого нам нужно использовать запутанные фотоны.

Запутанные фотоны — это пара фотонов, которые имеют общее квантовое состояние и связаны друг с другом, даже если находятся на большом расстоянии. Если мы измерим какое-то свойство одного из запутанных фотонов, то мы сразу же узнаем значение этого же свойства у другого фотона, не измеряя его. Это явление называется квантовой запутанностью и было предсказано Альбертом Эйнштейном вместе с его помощниками в 1935 году. Однако Эйнштейн считал, что это явление противоречит здравому смыслу и называл это «призраками на расстоянии». Он полагал, что квантовая механика неполна и что существуют скрытые переменные, которые и помогают определить поведение квантовых объектов.

В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил способ проверить, прав ли Эйнштейн или нет. Он сформулировал неравенство Белла, которое ограничивает степень корреляции между измерениями запутанных частиц в классической теории. Если бы существовали скрытые переменные, то неравенство Белла должно было бы выполняться. Однако эксперименты показали, что неравенство Белла нарушается, что значит, что квантовая запутанность реальна и что квантовая механика полна.

Теперь вернемся к эксперименту квантового ластика. В этом эксперименте мы создаем два запутанных фотона и направляем их в разные стороны. Один из них проходит через двущелевую пластину и попадает на экран с детектором. Другой фотон проходит через систему зеркал и линз, которая в свою очередь может изменять его поляризацию (направление колебания электрического поля). Поляризация фотона может служить маркером для определения его пути. Если мы измеряем поляризацию второго фотона, то мы узнаем, через какую щель прошел первый фотон, и видим два пятна на экране. Но если мы не измеряем поляризацию второго фотона, а пропускаем его через специальный прибор, который стирает информацию о его поляризации, то мы видим интерференционную картину на экране. При этом не важно, когда мы проводим стирание — до или после того, как первый фотон достиг экрана.

Как это можно объяснить? Существует несколько интерпретаций этого эксперимента. Одна из них основана на концепции мультивселенной, которая предполагает, что существует множество параллельных реальностей, в которых реализуются все возможные исходы квантовых измерений.

Концепция мультивселенной

Согласно концепции мультивселенной, когда мы проводим квантовое измерение, мы не получаем один определенный результат, а разделяемся на несколько копий себя, каждая из которых живет в своей реальности с соответствующим результатом. Например, когда мы бросаем монетку, мы не видим, что она выпала орлом или решкой, а переходим в два параллельных мира, в одном из которых она выпала орлом, а в другом — решкой. Таким образом, существует бесконечное количество реальностей, в которых мы живем разными жизнями.

Эта идея была предложена американским физиком Хью Эвереттом в 1957 году как способ решить проблему коллапса волновой функции в квантовой механике. Волновая функция — это математический объект, который описывает вероятности различных исходов квантового измерения. Пока мы не проводим измерение, волновая функция находится в суперпозиции — состоянии, в котором возможны все исходы. Например, фотон может быть одновременно поляризованным по горизонтали и по вертикали. Когда мы проводим измерение, волновая функция коллапсирует — принимает одно из возможных значений. Например, фотон может быть поляризованным только по горизонтали или только по вертикали.

Проблема заключается в том, что квантовая механика не объясняет, почему и как происходит коллапс волновой функции. Это является одним из самых загадочных и спорных аспектов квантовой теории. Эверетт предложил, что коллапса волновой функции на самом деле не происходит. Вместо этого волновая функция продолжает существовать в суперпозиции, но мы не можем наблюдать все ее значения, потому что мы также находимся в суперпозиции и разделяемся на множество копий себя в разных реальностях.

Эта интерпретация называется многомирной или многовселенной интерпретацией квантовой механики. Она имеет своих сторонников и противников среди физиков и философов. Одним из ее преимуществ является то, что она устраняет необходимость вводить специальный процесс коллапса волновой функции и делает квантовую теорию более логичной и последовательной. Одним из ее недостатков является то, что она предполагает существование бесконечного количества невидимых и недоступных для нас реальностей, что кажется очень фантастичным и неэкономным.

Как же можно проверить или опровергнуть эту гипотезу? Возможно ли найти свидетельства мультивселенной? Один из способов, который был предложен в 2007 году английским физиком Дэвидом Уоллесом, основан на эксперименте квантового ластика. Уоллес утверждает, что если мы проведем этот эксперимент с очень большим количеством фотонов и соберем статистику по их распределению на экране, то мы сможем увидеть разницу между многовселенной интерпретацией и другими интерпретациями квантовой механики.

Суть его идеи заключается в том, что в многовселенной интерпретации каждый фотон, который проходит через пластину с двумя щелями, создает два параллельных мира — один, в котором он прошел через верхнюю щель, и другой, в котором он прошел через нижнюю щель. Эти два мира не могут взаимодействовать друг с другом, но они могут взаимодействовать с третьим миром, в котором мы измеряем или стираем поляризацию второго фотона. Если мы измеряем поляризацию, то мы узнаем, в каком из двух миров мы находимся, и видим два пятна на экране. Если же мы стираем поляризацию, то мы не знаем, в каком из двух миров мы находимся, и видим интерференционную картину на экране.

Однако Уоллес утверждает, что эта интерференционная картина не будет такой же, как если бы мы просто не измеряли поляризацию вообще. Он говорит, что в этом случае мы должны учитывать не только вероятности того, что фотон прошел через ту или иную щель, но и вероятности того, что мы находимся в том или ином мире. Эти вероятности зависят от того, как мы стираем поляризацию — полностью или частично. Если мы стираем поляризацию полностью, то мы имеем равные шансы оказаться в любом из двух миров. Если же мы стираем поляризацию частично, то мы имеем разные шансы оказаться в разных мирах. Это приводит к тому, что интерференционная картина меняется в зависимости от степени стирания поляризации.

Уоллес утверждает, что этот эффект может быть измерен экспериментально и что он будет отличаться от предсказаний других интерпретаций квантовой механики. Он называет это «квантовой русской рулеткой», потому что мы играем со своей судьбой в разных реальностях. Он также говорит, что этот эксперимент может быть рассмотрен как аналог знаменитого опыта Шредингера с кошкой.

Да сколько можно про этого Шредингера?

Опыт Шредингера с кошкой — это мысленный эксперимент, придуманный физиком из Австрии Эрвином Шредингером в 1935 году, и который помогает иллюстрировать парадоксальность квантовой механики. В этом эксперименте кошка заключена в ящик с радиоактивным и источником, который может испустить частицу и запустить механизм, который разобьет бутылку с ядом внутри ящика. В случае, если частица испущена, то кошка умирает от яда. В случае, если частица не испущена, то кошка остается жива. Согласно квантовой механике, до того, как мы откроем ящик и посмотрим на кошку, мы не можем сказать, жива она или мертва. Мы можем только сказать, что волновая функция кошки находится в суперпозиции состояний «жива» и «мертвая» с определенными вероятностями. Только когда мы открываем ящик, происходит коллапс волновой функции, и мы видим один из возможных результатов.

Шредингер придумал этот эксперимент, чтобы показать, что квантовая механика не может быть применена к не макроскопическим объектам, таким как кошка, потому что это противоречит здравому смыслу и наблюдаемой реальности. Он хотел подчеркнуть, что квантовая механика нуждается в дополнении или модификации, чтобы объяснить процесс коллапса волновой функции.

Однако в многовселенной интерпретации этот эксперимент имеет другое объяснение. В этой интерпретации мы не можем говорить о том, что кошка жива или мертва, пока мы не откроем ящик. Мы можем только говорить о том, что существует два параллельных мира — один, в котором кошка жива, и другой, в котором кошка мертва. Когда мы открываем ящик, мы не заставляем волновую функцию коллапсировать, а просто переходим в один из этих миров в соответствии с вероятностью. В другом мире наша копия видит противоположный результат. Таким образом, кошка всегда жива в одном мире и всегда мертва в другом.

Уоллес считает, что эксперимент квантового ластика можно рассматривать как аналог опыта Шредингера с кошкой, если мы заменим кошку на фотон и ящик на пластину с двумя щелями. В этом случае мы можем говорить о том, что фотон проходит через обе щели одновременно или через одну из них в зависимости от того, измеряем мы поляризацию второго фотона или стираем ее. Если мы измеряем поляризацию, то мы узнаем путь фотона и видим два пятна на экране. Если же мы стираем поляризацию, то мы не знаем путь фотона и видим интерференционную картину на экране.

Уоллес утверждает, что если мы проведем этот эксперимент с очень большим количеством фотонов и соберем статистику по их распределению на экране, то мы сможем увидеть разницу между многовселенной интерпретацией и другими интерпретациями квантовой механики. Он говорит, что в многовселенной интерпретации мы должны учитывать не только вероятности того, что фотон прошел через ту или иную щель, но и вероятности того, что мы находимся в том или ином мире. Эти вероятности зависят от того, как мы стираем поляризацию — полностью или частично. Если мы стираем поляризацию полностью, то мы имеем равные шансы оказаться в любом из двух миров. Если же мы стираем поляризацию частично, то мы имеем разные шансы оказаться в разных мирах. Это приводит к тому, что интерференционная картина меняется в зависимости от степени стирания поляризации.

Это очень интересная и захватывающая идея, которая может открыть новые горизонты для понимания природы квантового мира и его связи с нашей реальностью. Однако этот эксперимент также представляет собой большой научный и технический вызов, который требует высокой точности и чувствительности измерений, а также контроля над внешними факторами, которые могут повлиять на результаты. Пока что никто не провел этот эксперимент на практике, но есть несколько групп ученых, которые работают над его реализацией.

Если этот эксперимент будет успешно проведен и подтвердит гипотезу Уоллеса, то это будет означать, что мы живем в мультивселенной, где каждый наш выбор создает новую реальность. Это будет означать, что существует бесконечное количество версий нас самих, которые живут разными жизнями в разных мирах. Это будет означать, что мы не можем быть уверены в том, что мы видим и знаем, потому что все может измениться в любой момент. Это будет означать, что мы не одиноки в этой Вселенной — а скорее наоборот.

Конец первой части.