Реальны ли параллельные вселенные и мультивселенная?

Параллельные вселенные — одно из самых глубоких понятий во всей квантовой физике. Это неотразимая и захватывающая идея, но верна ли она?

Конечная цель науки, если свести её к самому главному, — это как можно точнее описать и смоделировать реальность наиболее предсказательно мощным способом. Однако когда мы говорим о вопросе «что реально?», мы не просто ищем ответ на вопрос «может ли моя модель делать предсказания о реальности, которые согласуются с измерениями, наблюдениями и экспериментами?». Вместо этого мы задаёмся рядом более глубоких вопросов, рассматривая такие аспекты, как:

Самосогласована ли моя модель реальности или в ней есть логические изъяны?
Максимизирует ли моя модель нашу предсказательную силу в отношении того, что мы собираемся измерить, или у неё есть ограничения, которые превосходят альтернативные модели?
Уникальна ли моя модель по своему охвату и объяснительной силе, или существуют другие, столь же хорошие модели?
И можно ли все предсказания моей модели проверить и подтвердить экспериментально или с помощью наблюдений, или же некоторые из них каким-то образом скрыты от нашего взгляда?

Предсказательная сила — важный аспект в понимании нашей реальности, но многие из наших лучших современных идей начинались как теории, очень далёкие от экспериментов и наблюдений, которые лишь позже были проверены (а иногда и подтверждены) напрямую. Так на каком же этапе мы находимся сегодня в отношении великих идей о параллельных вселенных и мультивселенной?

Это большой вопрос, который волнует практически каждого физика, работающего над основами мироздания. И вот на каком этапе мы находимся сегодня.

Понятие параллельных вселенных уходит корнями в то, как мы в принципе осмысливаем реальность на фундаментальном уровне, особенно с учётом результатов экспериментов в квантовой физике. Попытки «осмыслить» нашу контринтуитивную квантовую реальность — включая такие концепции, как неопределённость, индетерминизм, корпускулярно-волновой дуализм и предсказание вероятностных (а не достоверных) исходов — это то, с чем мы боремся с тех самых пор, как впервые начали открывать причудливую, по своей сути квантовую природу нашей Вселенной. И не заблуждайтесь: правила, по которым играет квантовая механика, совсем не похожи на те правила, к которым мы привыкли в нашей повседневной макроскопической жизни.

Пожалуй, самый известный эксперимент во всей квантовой физике, который лучше всего демонстрирует причудливые свойства нашей квантовой реальности, — это двухщелевой эксперимент. Проще говоря, вам понадобится:

некая физическая сущность, например волна или частица, которая будет распространяться вперёд в одном направлении сквозь пространство;
преграда в этом пространстве, которая мешает этой сущности распространяться вперёд;
две узкие, близко расположенные щели в этой преграде, позволяющие сущности пройти сквозь неё только в этих двух местах;
и экран с другой стороны преграды, на котором отобразится узор из той части (волноподобной или частицеподобной) сущности, которая до него добралась.

Такова установка двухщелевого эксперимента. Хотя первоначально он был проведён Христианом Гюйгенсом ещё в 1600-х годах с водяными волнами, известность он приобрёл на рубеже XIX века, когда Томас Юнг провёл его со светом.

Если бы свет вёл себя как частицы — или корпускулы, как теоретизировал Ньютон, — то экран был бы полностью тёмным везде, за исключением двух ярких «полос», которые появились бы в местах, соответствующих каждой из двух щелей, через которые мог пройти свет. Этого следовало бы ожидать, если бы свет вёл себя подобно частицам: тёмные области там, где преграда блокирует свет, и освещённые области там, где свет прошёл через щели.

С другой стороны, если бы свет проявлял волновое поведение, то следовало бы ожидать чередующихся светлых и тёмных полос. Они соответствовали бы областям, где свет от двух щелей интерферировал конструктивно (складываясь), что приводило бы к светлым полосам, и областям, где свет интерферировал деструктивно (вычитаясь или гася друг друга), что приводило бы к тёмным полосам.

Эксперименты Юнга, проведённые в конце 1790-х и начале 1800-х годов, убедительно продемонстрировали волновое поведение света в этих условиях. Точно так же, как водяные волны, проходящие через две щели в преграде:

создают два источника круговых, расходящихся волн;
которые интерферируют как конструктивно, так и деструктивно при встрече;
что приводит к узору из гребней и впадин на воде;
волновая природа света обеспечила точно такой же результат.

Дальнейшие эксперименты, проведённые в XIX веке, подтвердили волновую природу света, а электромагнетизм Максвелла привёл к пониманию света как распространения электромагнитной волны без источника (незаряженной) со скоростью света.

Но затем всё стало странно. По-настояшему, жутко странно.

Макс Планк показал, что энергия, излучаемая в виде света, должна быть квантована и, следовательно, не может состоять исключительно из непрерывных волн, а должна существовать в виде «порций энергии», где каждая порция обладает определённой, конечной энергией. Альберт Эйнштейн с помощью фотоэлектрического эффекта продемонстрировал, что свет может ионизировать электроны, только если у него достаточно короткая длина волны, независимо от его интенсивности. Другими словами, свойства и возможности света определяла не общая энергия светового луча, а энергия каждой отдельной «порции», на которые квантовался свет — порции, которые сегодня известны как фотоны.

А затем, в 1924 году, появился Луи де Бройль и осознал, что всё ещё страннее, чем мы думали ранее. Не только свет обладал этим странным свойством вести себя как частица в одних обстоятельствах и как волна в других, но и всё остальное, включая электроны, протоны, атомные ядра и даже целые атомы, проявляло этот корпускулярно-волновой дуализм.

Можно было пропускать через аналогичный двухщелевой эксперимент не только свет, но и частицы (например, электроны), и они всё равно создавали тот же волновой узор, демонстрируя явные признаки интерференции.

Затем можно было схитрить и сказать: «Хорошо, я понимаю, что есть интерференция между множеством электронов или фотонов в пучке, но что, если я буду посылать их по одному, друг за другом?» Мы провели такие эксперименты и обнаружили, к нашему изумлению, что интерференционная картина всё равно сохраняется. По мере измерения частицы за частицей начинает вырисовываться узор, и это именно интерференционная картина, а не две классические «кучки», которые можно было бы ожидать. Как будто каждый отдельный квант, будь то фотон или электрон, каким-то образом проходит через обе щели одновременно и интерферирует сам с собой.

Возможно, вы подумаете: «Я знаю, мы застанем каждую частицу в момент прохождения и измерим, через какую щель она летит!» И это можно сделать, установив детектор (например, фотоэлемент для фотона или индукционную петлю для заряженной частицы вроде электрона), чтобы измерить, через какую щель проходит используемый вами квант. И это работает! Первая частица проходит через щель №1 и появляется на экране. Вторая — через щель №2, третья — снова через №2, четвёртая и пятая — через №1, и так далее. Но на этот раз на экране нет интерференционной картины. Вместо неё — просто две кучки. Словно кванты могут «чувствовать», измеряют их или нет, и в ответ менять своё поведение.

Вы можете задаться вопросом, какое отношение всё это имеет к параллельным вселенным. Ответ кроется в вопросе: «Если я могу точно описать все начальные условия моей физической системы, включая установку эксперимента и положение и движение каждой частицы в ней, то каким будет результат?»

Правила квантовой физики, насколько мы их понимаем, не дают абсолютных, 100% достоверных ответов. Вместо этого они позволяют лишь предсказать вероятность получения каждого из возможных исходов. На вопрос вроде «Куда попадёт этот электрон, который я пропускаю через две щели?» мы знаем, как рассчитать спектр вероятностей, но единственный способ определить, куда электрон действительно попадёт, — это провести эксперимент и сделать ключевое измерение самим.

Все физики сходятся в этом; природа просто так себя ведёт. Это может быть неинтуитивно — и многих из нас это может не удовлетворять, — но такова природа нашей квантовой реальности. Но затем мы делаем то, что свойственно человеку, и спрашиваем: «Хорошо, но что на самом деле происходит с реальностью, и как наше представление об объективной, не зависящей от наблюдателя реальности согласуется с такими наблюдениями?» И, как и следовало ожидать, оказывается, что существует несколько эквивалентных способов интерпретации квантовой физики. Среди них:

копенгагенская интерпретация, которая утверждает, что всё распространяется как волны, но взаимодействует как частицы, и что взаимодействие вызывает «коллапс волновой функции»;
теории скрытых переменных, такие как интерпретация де Бройля — Бома, которые постулируют существование детерминированных «скрытых переменных», которые мы не можем видеть, получить к ним доступ или измерить, но если бы могли, то смогли бы делать 100% точные предсказания исхода любого эксперимента;
ансамблевая интерпретация, которая гласит, что квантовое состояние описывает не одну отдельную систему, а лишь бесконечное число идентично приготовленных систем;
и многомировая интерпретация, которая утверждает, что волновая функция реальна, коллапса волновой функции не существует, и все исходы действительно происходят, но мы живём только в одном «мире» и поэтому измеряем только один конкретный исход в каждом проводимом эксперименте.

Этим различным интерпретациям (а также другим) уделяется много внимания, и попытки провести эксперименты, которые могли бы проверить их предсказания друг против друга, являются активной областью исследований. Фактически, квантовая запутанность стала темой недавней Нобелевской премии по физике 2022 года, что помогло превратить квантовые информационные системы в ту мощную научную область, которой они являются сегодня. Но вопрос, на который большинство людей — физики, философы, студенты-физики и обыватели — хотят получить ответ, прост: «Хорошо, но какая интерпретация квантовой механики верна? Какая из них правильная, и как мы узнаем, что остальные ошибочны?»

И на этот вопрос, к лучшему или худшему, у нас нет ответа, нет консенсуса и, по сути, нет никаких новых подсказок, кроме тех, что я здесь представил. До тех пор, пока не будет разработан экспериментальный тест, способный различить эти интерпретации и измерить реальность так, чтобы она оказалась либо одной, либо другой, все эти интерпретации остаются одинаково валидными. У нас есть только один «мир», в котором мы можем проводить наблюдения, измерения и эксперименты, и каждый раз мы видим лишь один исход. В то же время, когда мы вычисляем наши предсказания о том, что должно произойти, мы можем получить лишь взвешенное распределение вероятностей, а не определить, каким будет фактический ответ.

Итак, реальны ли параллельные вселенные? Исходя из того, что мы можем с уверенностью сказать о квантовой физике, — возможно, но убедительных доказательств в пользу этого предположения нет. Важный последующий вопрос, который мы можем задать: «Хорошо, если бы параллельные вселенные были реальны, где бы они все находились?»

Ответ, согласно стандартной квантовой механике, заключается в том, что они находятся в той же математической структуре, где существует волновая функция: в физическом гильбертовом пространстве. Это всё хорошо, но наша Вселенная плохо описывается как физическое гильбертово пространство, так что это не самый убедительный аргумент.

Можно утверждать, что если наша Вселенная бесконечна, то, поскольку существует конечное число возможных конфигураций для (также конечного числа) частиц, существующих в нашей наблюдаемой Вселенной, каждая конфигурация, возникающая в нашей Вселенной, должна существовать и где-то ещё. Фактически, если Вселенная действительно бесконечна, то эта конфигурация должна существовать бесконечное число раз в других местах, и это дало бы этим «параллельным вселенным» физически реальное место для существования. Конечно, у нас нет верхней границы того, насколько велика ненаблюдаемая Вселенная; она вполне может быть бесконечной. Но «конечная» — тоже вариант, и если Вселенная конечна в своих размерах, то логично предположить, что параллельные вселенные не были бы физически реальными.

В конце концов, если мы порождаем всё новые параллельные вселенные каждый раз, когда происходит взаимодействие, измерение или иное уникальное «определение» нашего квантового состояния, то количество параллельных вселенных, необходимое для вмещения всех этих исходов, стремительно приближается к бесконечности.

Теперь, возможно, спекулировать о параллельных вселенных забавно, но у нас есть некоторая информация о происхождении нашей собственной Вселенной, которая кажется особенно актуальной. Мы возникли не просто из горячего Большого взрыва, а из периода, известного как космическая инфляция, который предшествовал Большому взрыву и подготовил его. Во время инфляции Вселенная расширяется быстро и неумолимо, удваиваясь в размерах по всем трём измерениям за каждую крошечную долю секунды, а затем удваиваясь снова и снова с каждой такой же долей секунды.

Это безжалостное удвоение создаёт настоящую мультивселенную из независимых горячих Больших взрывов и дочерних вселенных, возникающих из неё, включая нашу собственную наблюдаемую Вселенную. Общее число вселенных, порождённых инфляцией, так же как и число параллельных вселенных, необходимое для вмещения всех возможных исходов, также стремится к бесконечности с течением времени.

Но не все бесконечности одинаковы; некоторые больше других. Например, рассмотрим следующие последовательности:

1, 2, 3, 4, 5, …
1, 4, 9, 16, 25, …
1, 10, 100, 1000, 10000, …
1, 2, 6, 24, 120, …

и так далее. Каждая последовательность уходит в бесконечность, но делает это по-разному. Первая последовательность растёт линейно (как n), вторая — по степенному закону (как n²), третья — экспоненциально (как 10ⁿ), а четвёртая — комбинаторно (как n!, или n-факториал). Инфляция создаёт новые дочерние вселенные экспоненциально (как третья последовательность), а квантовая механика требует появления параллельных вселенных комбинаторно (как четвёртая последовательность). Это говорит нам о том, что с течением времени реальная, физическая мультивселенная, в которой мы обитаем, не сможет предоставить физический дом для всех параллельных вселенных, требуемых квантовой механикой.

Некоторые бесконечности больше других, и «бесконечность», необходимая для физической реальности параллельных вселенных, больше, чем бесконечность вселенных, созданных космической инфляцией. Это не обязательно означает, что параллельные вселенные нереальны физически, но это говорит нам, что, исходя из всего, что мы знаем, нет причин предполагать, что они таковыми являются. Они были бы реальны, если бы:

сама Вселенная была действительно бесконечной в своих физических размерах;
период инфляции был предвечным, то есть инфляция длилась бесконечно долго, прежде чем породить нашу наблюдаемую Вселенную;
или если мы переопределим понятие «физически реальное», включив в него «существующее в рамках математической структуры, известной нам как физическое гильбертово пространство».

К сожалению для тех из вас, кто надеялся, что я приду к выводу об их физической реальности, ни один из этих пунктов не является доказательством, необходимым для такого заключения. В физике существуют разные уровни умозрительности, где наименее спекулятивные расширения того, что мы знаем (например, существование инфляционной мультивселенной), включают лишь распространение известной, устоявшейся физики на область, выходящую за пределы того, что мы умеем наблюдать или измерять.

Более же спекулятивные расширения включают непроверенные допущения, которые заставляют нас добавлять новые уровни сложности поверх уже устоявшейся картины реальности. На данный момент параллельные вселенные — это захватывающая идея и концепция, достойная рассмотрения, но у нас нет никаких доказательств, которые бы указывали на то, что они, вероятно, физически реальны каким-либо образом, влияющим на нашу наблюдаемую действительность.