Many-Worlds Interpretation
Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства. ММИ является одной из многих многомировых гипотез в физике и философии. На сегодняшний день она является одной из ведущих интерпретаций, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.
В статье я использовал:
- отрывки из видео: https://www.youtube.com/watch?v=NTqL1TVY0ns&feature=youtu.be
- Книгу "Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение" – Митио Каку
- Книгу "Начало бесконечности" – Дэвид Дойч
В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью.
В квантовой физике все не так…
Там систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией.
Но проблема в том, что квантовая механика не позволяет увидеть волновую функцию частицы
Многие, кто изучают квантовую механику привыкли, что существует два свода правил
- Когда мы не смотрим, то волновая функция описывается уравнением Шредингера
- А когда мы пытаемся ее измерить, то эта же функция мгновенно коллапсирует
Самому Шредингеру эта идея не нравилась, что они и обсуждали с Эйнштейном в их переписке. И эксперимент с котом Шредингера появился там же
Описание эксперимента
Идея эксперимента была в том, чтобы связать незаметный квантовый эффект с чем то осязаемым, например с котом.
Мы засовываем кота в коробку. В коробке находится детектор распада радиоактивных частиц, источник радиации и, допустим, усыпляющий газ, который выпустится, если детектор зафиксирует распад частицы.
Теория говорит, что частица имеет вероятность: распасться ей или нет. И только измерения состояния этой частицы даст нам ответ на то, распалась она или нет. Пока измерения с нашей стороны не произошло, то мы ничего не знаем о состоянии частицы
Мы можем узнать результат только тогда, когда откроем коробку и посмотрим, спит наш кот или нет, то есть, произведем измерения.
До момента измерения вся система находится в запутанном состоянии.
Хороший исход (для кота)
Пока коробка закрыта, для внешнего наблюдателя кот находится в суперпозиции
В этом эксперименте состояние кота непосредственно зависит от состояния атома — то есть. атом и кот запутаны между собой
Но, согласно квантовой механике, атому не обязательно находиться в каком то определенном состоянии. Большую часть времени он находится в суперпозиции.
Т.е. распавшимся и нераспавшимся одновременно
Далее, суперпозиция атома запутывается с состоянием детектора и, как следствие, кота.
Получается, что через какое то время волновая функция всего содержимого коробки оказывается в суперпозиции.
- В одном состоянии атом не распался, пробирка с газом цела, а кот жив
- В другом состоянии атом распался, пробирка разбилась и кот уснул
Далее, если мы, как наблюдатель, откроем коробку и заглянем внутрь, то сколлапсируем волновую функцию и увидим кота живым или мертвым.
Вообще то, все не так
Классическая (копенгагенская) интерпретация постулирует, что процесс наблюдения — процесс коллапса волновой функции в одно из состояний. Коллапс приводит к тому, что волновая функция продолжает эволюцию только как одна часть изначальной волновой функции(картинка 1 и 2 из начала статьи), объект больше не находится в состоянии суперпозиции и не может интерферировать.
Как следствие — всякие эффекты типа квантовой запутанности пропадают. Это теория не объясняет, как происходит коллапс волновой функции, равно как и почему одни взаимодействия вызывают коллапс, а другие — нет.
Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией, является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.
Одна из самых проработанных интерпретаций на данный момент — многомировая интерпретация
Многомировая интерпретация
Есть такой термин как квантовая запутанность. Это когда два электрона, летящих к друг другу, сталкиваются и запутываются.
Но стоит нам измерить импульс одного электрона, как мы тут же узнаем импульс другого.
Измерение одного электрона заставляет моментально коллапсировать волновую функцию другого электрона, пусть даже между ними расстояние в несколько миллионов световых лет
После взаимодействия друг с другом, у электронов больше нет волновых функций, их состояние теперь можно описать одной общей функцией
Так можно продолжать до бесконечности, и в итоге мы придем к тому, что существует лишь одна волновая функция, которая описывает состояние всей вселенной вселенной
Повторим
В копенгагенской интерпретации считается, что когда квантовую систему наблюдают, то она описывается одним сводом правил, а когда не наблюдают, то другим сводом правил
Согласно этому допущению, когда Шредингер открывает коробку, он коллапсирует кота в состояние либо «жив», либо «мертв».
Если убрать это допущение из квантовой теории, то получится, что суперпозиция распавшегося и нераспавшегося атома запутывается с детектором и с самим котом.
Не стоит забывать, что люди тоже состоят из атомов. И если система запутывается с котом, то она запутывается и с нами
Значит, согласно ММИ, Шредингер(Ш) оказывается в запутанном состоянии:
К этому уравнению нужно добавить окружение (окр):
Окружение в результате процесса декогеренции запутывается с ними обоими:
В таком варианте у Шредингера уже нет возможности «отменить» измерение или сделать что-то, чтобы «распутать» два состояния. Два мира разделились: в одном Шредингер нашел мертвого кота, в другом — живого. При этом никакого коллапса не произошло, все это — по-прежнему просто унитарная эволюция большой волновой функции.
Выходит, когда мы открываем коробку, то никакие изменения и коллапсирующие функции не важны, мы просто запутываемся с системой внутри коробки.
Это значит, что мы видим как систему с живым котом, так и с мертвым.
Это значит, что мы перед коробкой с живым котом, и мы перед коробкой с мертвым находимся в разных мирах
Ну, фактически, не мы, а наша копия, которая появилась при распаде вселенной на две реальности, которые теперь никогда не пересекутся
В итоге, вселенная разделяется и возникают две, практически идентичные реальности
Это и есть главная идея многомировой интерпретации. Единственный ее постулат — вся Вселенная описывается одной волновой функцией. Нет «классического» мира, нет наблюдателей, нет коллапса — все это является унитарной эволюцией одной волновой функции под действием уравнения Шредингера. То, что мы наблюдаем как коллапс — исключительно процесс декогеренции, наша невозможность «развязать» объект и окружение, с которым он запутался.
Разные «миры» при этом возникают каждый раз, когда происходит «коллапс» — взаимодействие системы с окружением. При этом один мир делится на несколько, в соответствии с ветвями волновой функции, и эти миры больше не взаимодействуют.
Итого
Тем не менее, все это лишь частичное решение, так как сама космическая волновая функция, описывающая всю Вселенную, не имеет определенного состояния, а состоит из всех возможных вселенных. Таким образом, проблема неопределенности, впервые открытая Гейзенбергом, теперь распространена на всю Вселенную.
Наименьшая единица, которой мы можем оперировать в этих теориях, — сама Вселенная, а наименьшая единица, которую можно квантовать, — пространство всех возможных вселенных, в которое входят и мертвые, и живые коты. Таким образом, в одной вселенной кот действительно мертв, зато в другой — жив. Однако обе вселенные находятся в одном и том же вместилище — волновой функции Вселенной.