Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

* * *

Даже в рамках квантовой механики существует математическая проблема, связанная с обычным подходом к парадоксу кота Шрёдингера. В 2014 году Джейков Фоукзон, Александр Потапов и Станислав Подосенов разработали новый дополняющий подход. Их расчеты показывают, что даже если кот действительно находится в состоянии суперпозиции, то его состояние, которое вы увидите, открыв ящик, имеет «определенные и предсказуемые результаты измерений». Исследователи делают вывод: «Вопреки [иным] мнениям, „взгляд“ на результат ничего не меняет, он лишь информирует наблюдателя о том, что уже произошло». Иными словами, кот определенно либо жив, либо мертв еще до того, как кто-либо откроет ящик, но внешний наблюдатель на этом этапе не знает, в каком именно состоянии тот находится.

В основу их расчета положено тонкое различие. Обычное представление суперпозиции состояний кота выглядит так:

Здесь символы | 〉 — это обозначение, при помощи которого специалисты по квантовой физике записывают конкретные состояния, поэтому читать это можно как «состояние такое-то». Я опустил кое-какие константы (амплитуды вероятностей), на которые эти состояния домножаются.

Однако такая формулировка плохо сочетается с развитием квантовых состояний во времени. Модель Гирарди — Римини — Вебера — математическая методика анализа коллапса волновой функции — требует введения времени в явном виде. Причинность запрещает совмещение состояний, имеющих место в разное время, поэтому мы должны записать состояние как

Это запутанное состояние, как говорят специалисты. Оно не является суперпозицией «чистых» состояний, таких как «живой кот» или «нераспавшийся атом». Нет, это суперпозиция смешанных состояний, состояния кота и состояния атома, представляющих сколлапсировавшее состояние спаренной системы кот/атом. Оно сообщает нам, что еще до того, как мы открыли ящик, либо атом уже распался и (совершенно предсказуемо) убил кота, либо не произошло ни того ни другого. В этом нет ничего парадоксального, и именно этого мы ожидали бы от классической модели наблюдаемого процесса.

В 2015 году Игорь Пиковский, Магдалена Зых, Фабио Коста и Часлав Брукнер ввели в обсуждение проблемы новый фактор — выяснили, что гравитация вызывает еще более быструю декогеренцию суперпозиций. Причина — релятивистское замедление времени — эффект, который заставляет время остановиться на горизонте событий черной дыры. Даже крохотное замедление времени, вызванное слабым гравитационным полем, вмешивается в существование квантовых суперпозиций. Так что гравитация почти мгновенно декогерирует шрёдингерова кота до состояния либо «жив», либо «мертв». Разве что вы постулируете, что ящик непроницаем для гравитации, что само по себе сложно, поскольку подобных материалов не существует.

Вероятно, точек зрения на кота Шрёдингера и тесно связанную с ним многомировую интерпретацию квантовой механики на свете существует больше, чем квантовых физиков. Я рассказал всего лишь о нескольких попытках разрешить этот парадокс, но даже они указывают на то, что квантовую мультивселенную ни в коем случае нельзя считать делом решенным. Так что пусть вас не тревожит возможность того, что где-то существует другая вселенная, параллельная этой, и что там ваш двойник живет в мире, где победил Гитлер. Не исключено, что такое возможно, но квантовая механика не дает убедительных причин считать, что это действительно так.

Но для фотона это действительно правда. И это само по себе замечательно.

* * *

К настоящему моменту вы, вероятно, поняли, что я скептически настроен по отношению к мультивселенной. Мне очень нравится связанная с ними математика, и в качестве основы для научно-фантастического сюжета эта гипотеза тоже замечательно подходит, но в ней слишком много ничем не подтвержденных допущений. Среди различных вариантов мультивселенной, о которых я говорил, выделяется, пожалуй, ландшафтная вселенная, в пользу которой все же имеются некоторые данные. Дело не в том, что у нас есть доказательства ее существования — что бы это ни значило, — но она все же разрешает, кажется, мучительный вопрос исключительно маловероятной тонкой настройки фундаментальных констант.

Что подводит меня наконец к варианту номер четыре.

Ландшафтная мультивселенная — это философское излишество. Эта гипотеза пытается разрешить единственный вопрос, который в настоящее время ставит в тупик несколько незначительных в космическом масштабе человеческих существ тем, что постулирует существование необычайно обширного и сложного объекта, совершенно превосходящего любой человеческий опыт. Это как геоцентрическая космология, в которой вся остальная огромная Вселенная оборачивается каждые сутки вокруг неподвижной Земли, расположенной в центре мироздания. Физик Пол Стейнхардт, работавший над инфляционной гипотезой при ее зарождении, говорил то же самое об инфляционной мультивселенной: «Чтобы объяснить одну простую вселенную, которую мы видим, гипотеза инфляционной вселенной постулирует бесконечное множество вселенных произвольной сложности, которые мы видеть не можем».

Было бы проще признать, что мы не знаем, откуда взялась тонкая настройка. Но вполне возможно, нам даже нет нужды заходить так далеко, потому что существует еще одна возможность. А именно, что проблема тонкой настройки сильно преувеличена и что на самом деле ее попросту не существует. Это и есть четвертый вариант. Если это так, то все мультивселенные лишь поверхностная пена.

Эти рассуждения основаны на более тщательном анализе предполагаемых свидетельств в пользу тонкой настройки и упомянутой вероятности получения комбинации фундаментальных констант, пригодной для жизни и равной 10↑–47. Расчет этот требует несколько достаточно сильных допущений. Одно из них состоит в том, что единственный способ построить вселенную — выбрать 26 констант, которые следует вставить в наши текущие уравнения. Да, действительно, математически эти константы работают как численные «параметры», которые модифицируют уравнения, не меняя при этом их общей математической формы; насколько мы можем судить, каждая модификация дает жизнеспособный набор уравнений, определяющих некую вселенную. Но на самом деле нам это неизвестно. Мы не имели возможности наблюдать хотя бы одну модифицированную вселенную.

Меня как математика беспокоит существование большого количества и других параметров (а их немало), которые неявно присутствуют в уравнениях, но никогда не записываются, поскольку в нашей Вселенной, так уж получилось, они равны нулю. Почему эти параметры не могут варьироваться тоже? Иными словами, как насчет того, чтобы вставить в уравнения дополнительные слагаемые, помимо тех, что мы записываем в них сейчас? Каждое дополнительное слагаемое такого рода предполагает дополнительную тонкую настройку, которая тоже нуждается в объяснении. Почему состояние Вселенной не зависит от суммарного числа сосисок, проданных на Смитфилдском рынке в Лондоне в 1997 году? Или от третьей производной поля кармабхуми, неизвестного пока науке?