Физики из США и Австралии попытались объяснить наблюдаемые квантовые эффекты взаимодействием параллельных миров и предложилив своей статье для журнала Physical Review X теорию, где каждая из вселенных описывается уравнениями классической физики, а эффекты, интерпретируемые нами как квантовые, объясняются влиянием различных миров друг на друга.
Работа ученых была опубликована в одном из журналов семейства Physical Review, издаваемого Американским физическим обществом с 1913 года. Дисциплинарная принадлежность каждого журнала определяется буквенным индексом после основного названия. Так, Physical Review A публикует статьи по атомной физике, Physical Review С — по ядерной, Physical Review D — по физике элементарных частиц и гравитации. Издания имеют высокий индекс цитируемости и включены в список научных журналов Высшей аттестационной комиссией России.
Physical Review X — новое издание. Его первый выпуск вышел в свет в 2011 году. Темой журнала заявлены междисциплирнарные исследования и концептуальные вопросы физики. За короткий период этот журнал стал самым цитируемым в семействе Physical Review. Его импакт-фактор в 2013 году равнялся 8.385. Для сравнения, самый цитируемый российский журнал — «Успехи химии». Его импакт-фактор равнялся 2.583 в 2013 году.
Стандартная точка зрения
В самой распространенной (копенгагенской) интерпретации квантовой теории фигурирует волновая функция, с эволюцией которой связано описание наблюдаемых систем. В таком подходе для того чтобы узнать состояние квантового объекта (например, электрона), необходим классический прибор (то есть прибор, подчиняющийся законам классической физики).
В результате процедуры измерения электрон изменяет состояние прибора, и по этому изменению мы судим об исходном состоянии квантовой частицы. Получается, что о самом электроне можно говорить, только произведя над ним измерение. Здесь уместно вспомнить о коте Шредингера, находящемся в закрытом ящике. Узнать, живо или мертво животное (состояние квантового объекта), можно только открыв ящик (проведя процедуру измерения).
Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность частицы принимать то или иное состояние. Ее можно представить в виде суммы слагаемых (суперпозиции состояний), а сам процесс измерения сводится к извлечению одного из возможных слагаемых.
Отдельного внимания заслуживает позиция наблюдателя. Рольсознания в квантовой механике занимает особое место, и эта область физики содержит больше вопросов, чем ответов.
«Я думаю, что могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику», — заметил как-то американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard Feynman), сформулировавший новый подход к квантовой теории — метод функционального интеграла. Этот подход позволяет учесть все возможные траектории квантовой частицы, а определяющий вклад в интеграл дает классическая траектория.
Квантовая теория поля
В обычной квантовой механике, базирующейся на уравнении Шредингера, рассматриваются частицы, движущиеся со скоростями, много меньшими скорости света. В квантовой теории поля изучаются объекты, перемещающиеся с околосветовыми скоростями. В этой теории понятие частицы вторично, а на первый план выходит другой объект — квантовое поле.
Само математическое описание взаимодействий частиц в квантовой теории поля осуществляется при помощи функционального интеграла, формулировка которого почти независима от классических понятий. Основная проблема вычисления таких бесконечномерных объектов связана со строгостью их математического обоснования. Поскольку интеграл Фейнмана учитывает все возможные траектории, число переменных интегрирования бесконечно.
В расчетах же, как правило, используется конечномерное приближение, корректность которого не всегда очевидна. Строгое математическое обоснование для небольшого числа частных случаев такие объекты получили в работах филдсовского лауреата Максима Концевича, где были рассмотрены функциональные интегралы, встречающиеся в моделях двумерной квантовой гравитации.
Параллельные миры
«Идея параллельных вселенных в квантовой механике существует уже с 1957 года», — говорит один из авторов новой теории, профессор Говард Вайсман (Howard Wiseman).
«В хорошо известной многомировой интерпретации квантовой механики каждая вселенная разветвляется на множество новых при проведении квантового измерения. Это позволяет реализовать все возможности: в некоторых вселенных астероид пролетел мимо Земли и динозавры не вымерли. В других — Австралия была колонизирована португальцами», — объясняет Вайсман.
«Но критики подвергают сомнению реальность других вселенных, поскольку другие миры не влияют на нас. На этот счет, наш подход со «многовзаимодействующими мирами» совершенно иной, как ясно из названия», — добавил ученый.
Туннелирование — преодоление частицей потенциального барьера, когда ее энергии для этого недостаточно. Явление носит существенно квантовый характер — согласно классической физике, такой частице не удалось бы выйти из пределов потенциальной ямы.
В основе теории Вайсмана и его коллег лежат следующие концептуальные предположения. Во-первых, наш мир — одна из многих вселенных. Некоторые могут быть похожими на нашу вселенную, но большинство значительно отличаются. Во-вторых, другие миры реальны, существуют во времени и обладают точно определенными свойствами. В-третьих, все квантовые явления происходят из взаимодействия (отталкивания) аналогичных по свойствам вселенных, и имеют целью сделать эти миры непохожими друг на друга.
В двухщелевом эксперименте частица (например, электрон), проявляет свои волновые свойства: «проходит» через пару щелей, на выходе наблюдатель видит дифракционную картину. Это и демонстрирует то, что частица проявляет себя как волна.
Другой автор исследования, доктор Майкл Холл (Michael Hall), оптимистично заявил, что теория «многовзаимодействующих миров» может даже помочь в экспериментальном определении параллельных миров. «Красота нашего подхода в том, что если есть только один мир, то наша теория сводится к механике Ньютона, а если есть много других миров, то наша теория воспроизводит квантовую механику», — подчеркнул ученый.
В новой теории измерение приводит к выделению одного мира из множества классических, а в уравнениях «многовзаимодействующих миров» фигурируют непосредственно вероятности, описывающие такую возможность. Этот подход, по словам физиков, объясняет такие квантовые эффекты, как туннелирование и поведение частиц в двухщелевом эксперименте.
Интерпретация
В настоящее время существует около десяти интерпретаций квантовой механики. Копенгагенская — самая распространенная из них. Тем не менее ее не придерживается даже половина физиков. Многомировая интерпретация квантовой механики, предложенная Хью Эвереттом (Hugh Everett) в 1957 году, по популярности находится на третьем месте, а группа теорий, использующих понятие квантовой информации, — на втором.
Предпочтения физиков с годами меняются. Так, в 1990-х некоторыми исследователями сообщалось, что интерпретация Эверетта занимает первое место, что могло объясняться стремительным развитием теории струн. Вероятно, с появлением квантовых компьютеров и с возможным замедлением прогресса в физике элементарных частиц в лидеры выйдет интерпретация с использованием квантовой информации.
Фейнман в цикле лекций «Характер физических законов» напомнил, что изначально аналогия, примененная Максвеллом при формулировке уравнений классической электродинамики, предполагала наличие в пространстве механических шестеренок и зубчатых колесиков, современной науке совершенно не ведомых.
Вероятно, ценность представляет математическое содержание квантовой механики, а не ее интерпретации. «Угадывание уравнения, по видимому, очень хороший способ открывать новые законы. Это лишний раз доказывает, что математика дает глубокое описание природы, а всякая попытка выразить природу, опираясь на философские принципы или интуитивные механические аналогии, не приводит к серьезным результатам», — писал Фейнман.
«Заткнись и считай!» — так физик Дэвид Мермин (David Mermin) высказал свое отношение к вопросу об интерпретации квантовой механики. Его слова стали девизом многих физиков-теоретиков, которые не считают нужным углубляться в философские обоснования квантовой механики. Впрочем, с ними не все согласны.
«Физику нельзя перевести ни на какой другой язык. И если вы хотите узнать Природу, оценить ее красоту, то нужно понимать язык, на котором она разговаривает (математику — прим.). Она дает информацию лишь в одной форме, и мы не вправе требовать от нее, чтобы она изменила свой язык, стараясь привлечь наше внимание», — заключил Фейнман в своей второй лекции из «Характера физических законов».
