Многомировая интерпретация и мультивселенная – могут ли они оказаться одной и той же идеей?

Отвечая на вопросы о параллельных мирах, физикам необходимо аккуратно различать интерпретации этой идеи. В инфляционной космологии есть идея «мультивселенной», в квантовой механике – «множественность миров» или «ветви волновой функции», в теории струн – «параллельные браны». Но в последнее время люди всё чаще задумываются о том, не могут ли первые две идеи исходить из одной основной. (Браны, с моей точки зрения, всё-таки совершенно отдельное понятие).

На первый взгляд, это безумие – или, по крайней мере, мне так сначала показалось. Когда космологи рассуждают о мультивселенной, они используют отчасти поэтический термин. На самом деле имеются в виду разные регионы пространства-времени, находящиеся так далеко, что мы не можем их наблюдать, но всё же принадлежащие тому, что мы хотели бы называть «вселенной». В инфляционной космологии эти отдалённые регионы могут быть относительно самодостаточными – как называет их Алан Гут, «карманными вселенными». Если скомбинировать это с теорией струн, то появляющиеся локальные законы физики у разных карманных вселенных могут быть очень разными. У них могут появиться разные частицы, разные силы и даже другое число измерений ^[1]. Поэтому их вполне разумно считать отдельными вселенными, даже если все они – часть одного и того же пространства-времени.

При беглом взгляде на квантовую механику тамошняя ситуация кажется совершенно другой. Вспомните кота Шрёдингера ^[2]. Квантовая механика описывает реальность через волновые функции, назначающие значения (амплитуды) всем возможным вероятностям того, что мы можем наблюдать. Кот ни жив, ни умер – он находится в суперпозиции жизни+смерти. По крайней мере, пока мы не проведём наблюдение. В упрощённой копенгагенской интерпретации, в момент наблюдения волновая функция «коллапсирует» в одну реальную возможность. Мы видим либо живого, либо мёртвого кота. Другая возможность исчезла. В интерпретации множественности миров Эверетта, обе возможности продолжают существовать, но мы, макроскопический наблюдатель, разделяемся надвое – один из нас наблюдает живого кота, а другой – мёртвого. И теперь нас уже двое, оба абсолютно реальные, и друг с другом нам не сойтись.

Две этих идеи кажутся абсолютно разными. В космологической мультивселенной другие вселенные просто очень далеко. В квантовой механике они существуют прямо тут, но в различных пространствах возможностей (в разных частях гильбертового пространства ^[3], если хотите углубляться в детали). Но некоторые физики уже давно думают над тем, не могут ли эти идеи оказаться одной и той же. А парочка новых научных работ, опубликованных смелыми мыслителями из района залива Сан-Франциско, подробно разрабатывает эту гипотезу.

1. Physical Theories, Eternal Inflation, and Quantum Universe ^[4], Yasunori Nomura
2. The Multiverse Interpretation of Quantum Mechanics ^[5], Raphael Bousso and Leonard Susskind

Связанные с этой гипотезой идеи недавно обсуждались под рубрикой «как заниматься квантовой механикой в бесконечно большой вселенной» – это работы Дона Пейджа ^[6] и Энтони Агуайера (и др.) ^[7]. Но ранее упомянутые работы посвящены непосредственно гипотезе «мультивселенная = множественность миров».

После прочтения этих двух работ я превратился из сомневающегося скептика в осторожного последователя. Случилось это по простой причине: я понял, что эти идеи хорошо сочетаются с другими, над которыми размышлял я сам! Так что я попытаюсь объяснить, что происходит. Однако моя интерпретация этих работ дана под влиянием моих собственных идей. Поэтому я объясню то, что, по моему мнению, может оказаться истиной. Я думаю, что объяснение будет достаточно близким к изложенному в двух этих работах, но не нужно винить их авторов за какую-либо глупость, исходящую от меня.

Существуют две идеи, совместно приводящие это безумное предположение к чему-то осмысленному. Первая – ослабление квантового вакуума.

Когда специалисты по физике частиц говорят «вакуум», они не имеют в виду «пустое пространство», они говорят о «состоянии с наименьшей энергий из всех сходных состояний». Допустим, у вас есть скалярное поле ^[8], заполняющее вселенную, способное принимать различные значения, и с каждым из них связана некая отличная от других потенциальная энергия. При нормальном развитии событий поле стремится достичь минимума потенциальной энергии – это и есть «вакуум». Но при этом бывает «истинный вакуум», в котором энергия действительно наименьшая из возможных, и бывают «ложные вакуумы», где вы достигли локального минимума, но не глобального.

Судьба ложного вакуума ^[9]была проработана в нескольких знаменитых работах Сиднея Коулмана и его коллег в 1970-х. Если кратко, то поля подвержены квантовым флуктуациям. Поэтому скалярное поле не находится в спокойном вакуумном состоянии. Если наблюдать за ним, можно увидеть, как оно немного отклоняется. Иногда оно отклоняется так сильно, что перебирается даже через барьер в направлении истинного вакуума. Это не происходит по всему пространству одновременно; это случается в небольшом регионе, в «пузыре». Но когда это происходит, поле уже стремиться оставаться в состоянии истинного вакуума, а не ложного – первое энергетически предпочтительнее. Поэтому пузырь растёт. Другие пузыри в других местах тоже растут. В результате пузыри сталкиваются, и переход от ложного вакуума в истинный успешно завершается. (Если только Вселенная не расширяется так быстро, что пузыри не достигают друг друга). Это очень похоже на то, как вода превращается в пар, формируя пузырьки.

Именно в таком ключе все говорят о судьбе ложного вакуума, но на самом деле всё происходит не так. Квантовые поля не испытывают «флуктуации»; это поэтический язык, используемый для облегчения связи с нашей классической интуицией. Флуктуации подвергаются наши наблюдения – мы смотрим на одно и то же поля много раз, и каждый раз наблюдаем различные значения.

Точно так же, говорить, что «пузырь формируется и растёт» не совсем верно. На самом деле для пузыря существует некоторая квантовая амплитуда, и она со временем растёт. Когда мы смотрим на поле, мы либо видим пузырь, либо не видим – так же, как, открывая коробку Шрёдингера, мы видим живого кота или мёртвого. Но на самом деле существует квантовая волновая функция, описывающая все возможности сразу.

Учтём это, и введём второй ключевой ингредиент: дополнительность (комплементарность) горизонта. Это обобщение идеи комплементарности чёрных дыр ^[10], которая, в свою очередь, растёт из квантового принципа дополнительности ^[11]. (Уже запутались?). Понятие дополнительности ввёл Нильс Бор, и оно означает, что «вы можете представлять себе электрон как частицу, или как волну, но не как то и другое одновременно». То есть, существуют разные, одинаково допустимые, способы описания чего-либо, которые нельзя использовать одновременно.

Комплементарность чёрных дыр, грубо говоря, заключается в том, что «можно говорить о том, что происходит внутри чёрной дыры, или снаружи, но не одновременно». Это способ избежать парадокса исчезновения информации в чёрной дыре ^[12] по мере её испарения. Если бросить книгу в чёрную дыру, и информация о ней не теряется, то в принципе у вас должна быть возможность воссоздать её содержание, собрав всё излучение Хокинга ^[13], испущенное чёрной дырой. Это звучит правдоподобно, даже если вы не понимаете механизм, управляющий этим процессом. Проблема в том, что можно «отрезать» кусочек пространства-времени, содержащий одновременно и упавшую внутрь книгу, и исходящее излучение! Так где же находится информация? (В двух местах одновременно её быть не может – это запрещено теоремой о запрете клонирования ^[14].

Сасскинд, Торлациус и Аглум, а также Герард 'т Хоофт предложили в качестве решения проблемы дополнительность: можно либо говорить о книге, падающей в сингулярность внутри чёрной дыры, или можно говорить об излучении Хокинга снаружи, но не о них обеих сразу. Это немного похоже на принятие желаемого за действительное и попытку спасти физику от неприятной перспективы исчезновения информации вместе с излучением чёрных дыр. Но чем больше теоретики думают о работе чёрных дыр, тем больше собирается доказательств ^[15]истинности чего-то наподобие дополнительности.

Согласно принципу комплементарности чёрных дыр, находящийся снаружи наблюдатель не должен думать о том, что происходит внутри. Точнее, всё, что происходит внутри, может быть закодировано информацией, находящемся на самом горизонте событий. Эта идея хорошо совмещается с голографией, и тем фактом, что энтропия чёрной дыры пропорциональна площади горизонта, а не её объёму. По сути, вы меняете «внутренность чёрной дыры» на «информацию, живущую на горизонте» (точнее, на «растянутом горизонте», находящемся непосредственно над реальным). В свою очередь, эта идея связана с мембранной парадигмой ^[16] чёрных дыр, но эта статья уже и так раздулась.

Горизонт событий – не единственный тип горизонта в общей теории относительности. Горизонты есть и в космологии. Разница в том, что мы можем находиться вне чёрной дыры, одновременно находясь внутри вселенной. А космологический горизонт – это окружающая нас сфера, за которой всё так отдалено, что свету не хватает времени дойти до нас.

А есть дополнительность горизонтов: можно рассуждать о том, что находится внутри вашего космологического горизонта, но не о том, что снаружи. Всё, что, по вашему мнению, может происходить снаружи горизонта, может быть зашифровано в виде информации на самом горизонте – точно так, как у чёрных дыр! Это превращается в очень чёткое и правдоподобное утверждение в пустом пространстве с космологической константой (пространстве де Ситтера), где существует даже точный аналог излучения Хокинга. Но дополнительность горизонтов утверждает, что это истинно даже в более общем смысле.

С точки зрения сторонников дополнительности, все эти карманные вселенные космологов не имеют смысла. Точнее, не нужно думать о них буквально. Всё, о чём нужно рассуждать, это то, что происходит внутри (и на поверхности) вашего собственного горизонта. А это конечное количество всего, а не бесконечно большая мультивселенная. Можете представить, что у такой перспективы есть далеко идущие последствия в области космологических предсказаний. Споры о том, как увязать это всё вместе, разгораются в научном сообществе.

Теперь свяжем обе идеи вместе: дополнительность горизонта («думайте только о том, что происходит внутри наблюдаемой вселенной») и ослабление квантового вакуума («в любой точке пространства есть квантовая суперпозиция различных вакуумных состояний»).

В результате получается мультивселенная в шкатулке. Или, по крайней мере, мультевселенная внутри горизонта. С одной стороны, дополнительность говорит, что не нужно рассуждать о том, что находится снаружи наблюдаемой вселенной. На любой разумный вопрос можно найти ответ в терминах того, что происходит внутри горизонта. С другой стороны, квантовая механика говорит, что полное описание всего, что происходит внутри наблюдаемой вселенной, включает амплитуду, находящуюся в различных возможных состояниях. Так что мы заменили космологическую мультивселенную, в которой разные состояния находятся в крайне разделённых регионах пространства-времени, на локализованную мультивселенную, где разные состояния находятся в одном месте, просто на разных ветвях волновой функции.

Это сложно усвоить сразу, но надеюсь, что основные моменты ясны. Но истинно ли всё это? И если да, что нам с этим делать?

Очевидно, ответов на эти вопросы у нас нет, но рассуждать об этом очень интересно. Я склоняюсь к тому, что это вполне может оказаться истинным. А если так, то я хотел бы спросить, какие это несёт последствия для начальных космологических условий и для стрелы времени. Не думаю, что такой подход даёт простые ответы на эти вопросы, но он может предложить относительно надёжную платформу, с которой можно начать развивать определённые ответы. Вселенная очень большая, и можно ожидать того, что её понимание окажется для нас серьёзным вызовом.

Автор: SLY_G

Источник ^[17]