Այնտեղ վիշապներ են ապրում. Բառացի հասկացված քվանտային մեխանիկան բերում է բազմաթիվ աշխարհների առաջացմանը
Քվանտային մեխանիկան մարդկային մտքի բարձրագույն դրսևորումն է։ Բարդ, սակայն էլեգանտ մաթեմատիկական ապարատն անասելի ճշգրտությամբ կանխատեսում է, թե տվյալ գիտնականը, տվյալ սարքով, տվյալ վիճակում գտնվող մասնիկի հետ կապված տվյալ դիտարկումն անելիս ինչ հավանականությամբ ինչպիսի արդյունք կստանա։ Տեսության կանխատեսումներն աշխատում են բոլոր պայմաններում, տասնյակ հազարավոր խորամանկ գիտափորձերում, ու, թվում է, դա բավարար է երջանիկ լինելու ու լաբորատորիայից դուրս չգալու համար։
Գիտնականների մի զգալի մասի համար այդպես էլ կա։ Նրանք դասական, Կոպենհագենյան դպրոցի կողմնակիցներն են, ովքեր համարում են, որ քվանտային մեխանիկան հրաշալի աշխատում է, իսկ ավելին, օրինակ` անօգուտ փիլիսոփայելը ոչինչ չի տալիս։ Սակայն մյուս մասը համաձայն չէ դրա հետ։ Նրանք կարծում են, որ քվանտային «հրաշքները» ինտուիտիվ բացատրության կարիք ունեն ու փորձում են դա անել։
Օրթոդոքսալ Կոպենհագենյան ինտերպրետացիայի կողմնակիցներն ամենից շատ սիրում են հարձակվել Էվերեթյան քվանտային մեխանիկայի կամ Բազմաթիվ աշխարհների ինտերպրետացիայի (Many-Worlds Interpretation - MWI) վրա։ Այդուհանդերձ, եթե մենք բառացի ենք հասկանում քվանտային մեխանիկան, այլ բան չի մնում, քան համաձայնվել այս ինտերպրետացիայի հետ։ PAN-ը պատմում է, թե ինչու։
Բազմաթիվ աշխարհների ինտերպրետացիայի ցանկացած քննարկում ուղեկցվում է բազում կանխակալ պատկերացումներով։ Դրանցից հիմնականն այն է, որ MWI-ը ենթադրում է չափից շատ տիեզերքների գոյություն։
Քվանտային մեխանիկայում մենք չենք կարող դետերմինիստիկ եղանակով կանխատեսել դիտարկումների արդյունքները։ MWI-ի համաձայն, դիտարկման յուրաքանչյուր արդյունք «տեղի է ունենում», սակայն յուրաքանչյուրը` առանձին «տիեզերքում» կամ «աշխարհում»։
Որպես օրինակ կարելի է բերել Շրյոդինգերի կատվին. կենդանին փակված է արկղում ու գտնվում է «ողջ» ու «մեռած» վիճակների սուպերպոզիցիայում։ Քվանտային մեխանիկայի դասագրքում ասվում է, որ արկղի բացումն ու կատվի դիտարկումը «կոլապսի է ենթարկում» կատվի ալիքային ֆունկցիան ու դիտորդը ստանում է դիտարկման երկու հնարավոր արդյունքներից միայն մեկը. կատուն կամ ողջ է, կամ մեռած։ Ի տարբերություն իշխող Կոպենհագենյան ինտերպրետացիայի, որում գործ ունենք ալիքային ֆունկցիայի կոլապսի հետ, MWI-ն ասում է, որ կատվին դիտարկելու ընթացքում տիեզերքը «բաժանվում է» երկու մասի. մեկում կատուն ողջ է, մյուսում` մեռած։ Մի անգամ բաժանված տիեզերքները շարունակում են միմյանցից անկախ էվոլյուցիան ու այլևս չեն փոխազդում միմյանց հետ։
Ու շատ մարդկանց անհանգստացնում է այս մոտեցումը։ Ի՞նչ կարիք կա հորինել տարբեր տիեզերքների ահռելի, անգամ` անվերջ քանակություն` քվանտային դիտարկման սովորական ակտը բացատրելու համար։ Սա MWI-ի հետ կապված թյուրիմացության հիմնական պատճառն է։
Հասկանալու համար, թե ինչու է այս ուղղությամբ անհամաձայնությունը կասկածելի, եկեք սկզբում մտածենք դասական, ոչ թե քվանտային մեխանիկայի մասին։ Ու սկսենք մեկ տիեզերքից` մասնիկների կամ դաշտերի որևիցե խմբից, որոնցից յուրաքանչյուրը ունի հստակ կոորդինատներ տարածության մեջ։ Դասական մեխանիկան նկարագրում է այդպիսի տիեզերքը որպես կետ ֆազային տարածությունում, որը ներառում է յուրաքանչյուր մասնիկի կամ դաշտի բոլոր հնարավոր կոորդինատներն ու արագությունները։
Ի՞նչ կլինի, եթե մենք որոշենք նկարագրել այդպիսի տիեզերքի երկու պատճեն (հնարավոր է` դրանց միջև չնչին տարբերությամբ, ինչպիսին է մեկում ողջ, մյուսում` մեռած կատվի առկայությունը)։ Այդ դեպքում մենք ստիպված կլինեինք կրկնակի մեծացնել ֆազային տարածությունը, ստեղծել բավարար մեծ մաթեմատիկական ստրուկտուրա` միաժամանակ երկու տիեզերքները նկարագրելու համար։ Այսպիսով, դասական ֆիզիկայում անհրաժեշտ է ահռելի աշխատանք կատարել` լրացուցիչ տիեզերքներ ավելացնելու համար, ու պետք կլինի ունենալ լուրջ պատճառ, որը կստիպի դիմել նման քայլի։
Սակայն քվանտային մեխանիկայում վերոնշյալը տեղի չի ունենում։ Բազմաթիվ տիեզերքների նկարագրության հնարավորությունն այստեղ ավտոմատ կերպով գոյություն ունի, ոչինչ ավելացնել պետք չէ։
Պատճառը, որը թույլ է տալիս նման համարձակ պնդում անել, թաքնված է քվանտային մեխանիկայի ֆունդամենտալ իրականության` դիտարկումների հնարավոր արդյունքների սուպերպոզիցիայի գոյության մեջ։ Դասական մեխանիկայում մենք ունենք հստակ հնարավոր վիճակներ, որոնցից յուրաքանչյուրը հնարավոր է անմիջականորեն դիտարկել։ Հետագայի համար կարևոր կլինի, որ համակարգը, որը մենք դիտարկելու ենք, լինի միկրոսկոպիկ։ Այդ իսկ պատճառով, եկեք դիտարկենք պտտվող (սփին ունեցող) քվանտային մասնիկ։ Մասնիկի սփինը կարող է լինել կամ «սփինը վերև», կամ էլ «սփինը ներքև» (այն ուղիղ համարժեք է Շրյոդինգերի կատվին. կատուն = մասնիկը, ողջ է = սփինը վերև, մեռած է = սփինը ներքև)։
Դասական հնարավոր վիճակները հետևյալն են.
Քվանտային մեխանիկան ասում է, որ մասնիկի վիճակը կարող է իրենից ներկայացնել դիտարկման երկու հնարավոր արդյունքների սուպերպոզիցիան։ Խնդիրը նրանում չէ, որ մենք չգիտենք, մասնիկը դեպի վերև է պտտվում, թե դեպի ներքև։ Բանը նրանում է, որ մասնիկն իրոք գտնվում է երկու հնարավորությունների սուպերպոզիցիայում, համենայնդեպս, մինչ այն պահը, երբ մենք այն կդիտարկենք։
Մենք կարող ենք այդ վիճակը սահմանել հետևյալ կերպ.
Այն դեպքում, երբ դասական վիճակները դրանք կետեր են ֆազային տարածությունում, քվանտային վիճակները «ալիքային ֆունկցիաներ» են, որոնք ապրում են այսպես կոչված հիլբերթյան տարածությունում։ Հիլբերթյան տարածությունը շատ մեծ է, ինչպես կտեսնենք հետագայում, այնտեղ տեղ կա բազմաթիվ բաների համար։
Դիտարկումների նկարագրության համար մենք պետք է ավելացնենք դիտորդին։ Պարտադիր չէ, որ դա լինի «գիտակից» դիտորդ կամ նմանատիպ մի բան։ Մենք ուղղակի նկատի ունենք դիտարկման մակրոսկոպիկ սարք։ Դա կարող է լինել կենդանի մարդ, սակայն նույն հաջողությամբ կարող է լինել տեսախցիկ, կամ սենյակում առկա օդը։ Շփոթմունքից խուսափելու համար մենք այն ուղղակի կանվանենք «ապարատ»։
Քվանտային մեխանիկայի ցանկացած ձևակերպման մեջ ապարատը միացվում է «պատրաստ է» վիճակում, ինչը նշանակում է, որ ապարատը միացված է, սակայն դեռ չի դիտարկել այն, ինչ պատրաստվում է դիտարկել (օրինակ, մասնիկի սփինը)։ Մասնավորապես, «պատրաստ է» վիճակում ապարատը դեռ չի խճճվել մասնիկի հետ, նրանց վիճակները միմյանցից անկախ են։
Այսպիսով, մասնիկ + ապարատ համակարգի քվանտային վիճակը սկսվում է հետևյալ կերպ.
«Սփինը վերև» + «սփինը ներքև»; ապարատը «պատրաստ է» (1)
Մասնիկը գտնվում է սուպերպոզիցիայի վիճակում, սակայն ապարատը` ոչ։ Դասագրքի համաձայն, երբ ապարատը դիտարկում է մասնիկը, քվանտային վիճակը կոլապսի է ենթարկվում դեպի երկու հնարավորություններից մեկը.
«Սփինը վերև»; ապարատը գրանցում է «վերև»
«Սփինը ներքև»; ապարատը գրանցում է «ներքև»
Երբ ու ինչպես է տեղի ունենում նման կոլապսը, բավականին անորոշ է։ Կոպենհագենյան ինտերպրետացիան հայտարարում է, որ կոլապսը տեղի է ունենում ոչ թե իրականում, այլ դիտարկում անցկացնող գիտնականի գիտակցության մեջ, որովհետև ալիքային ֆունկցիան արտացոլում է դիտարկման արդյունքների վերաբերյալ գիտնականի սպասումները, այսինքն` սուբյեկտիվ է։
Կա, սակայն, նաև այլ հնարավորություն։ Եթե մասնիկը կարող է գտնվել երկու վիճակների սուպերպոզիցիայում, ապա նման վիճակում կարող է գտնվել նաև ապարատը։ Այնպես որ, ոչինչ չի խանգարում մեզ նկարագրել հետևյալ վիճակը.
«Սփինը վերև»; ապարատը գրանցում է «վերև» + «սփինը ներքև»; ապարատը գրանցում է «ներքև» (2)
Գումարելու նշանն այստեղ առանցքային նշանակություն ունի։ Դա վիճակ չէ, որը իրենից ներկայացնում է այս կամ այն ալտերնատիվը, ինչպես դասագրքում, դա երկու հնարավորությունների սուպերպոզիցիա է։ Այս վիճակում մասնիկի սփինը խճճված է ապարատի ցուցմունքի հետ։
Ինչպիսի՞ն կլիներ կյանքը այնպիսի քվանտային վիճակով աշխարհում, ինչպիսին մենք նկարագրեցինք (2)-ում։ Առաջին հայացքից նման իրավիճակը կարող է զավեշտալի թվալ. ի վերջո, երբ մենք դիտարկում ենք իրական քվանտային համակարգեր, մեզ միշտ թվում է, որ մենք տեսնում ենք միայն այս կամ այն արդյունքը, բայց երբեք ոչ երկուսը միասին։ Մեր երբեք չենք մտածում, որ ինքներս ենք գտնվում դիտարկման տարբեր արդյունքներ ստանալու սուպերպոզիցիայում։
Հենց այստեղ է հայտնվում դեկոհերենցիայի մոգությունը։ Դրա հիմնական գաղափարը այնքան էլ բարդ չէ։ Բացի մեր մասնիկից ու ապարատից, Տիեզերքում կան շատ ավելի մեծ քանակությամբ բաներ. կա Երկիր մոլորակի մնացած մասը, ու կա այն ամենն, ինչ գտնվում է բաց տիեզերքում։ Այս ամենը, եթե միավորենք ու անվանենք «շրջակա միջավայր», նույնպես ունի քվանտային վիճակ։ Մենք սպասում ենք, որ ապարատը շատ արագ խճճվելու է շրջակա միջավայրի հետ, որովհետև, առնվազն, ֆոտոններն ու օդի մոլեկուլներն անընդհատ փոխազդելու են ապարատի հետ։ Արդյունքում, անգամ եթե (2) վիճակը գտնվում է սուպերպոզիցիայում, այդ սուպերպոզիցիայի երկու մասերը (մեկը` վերև սփինով, մյուսը` ներքև սփինով) երբեք միմյանց հետ ինտերֆերենցիայի մեջ չեն մտնի։
Ինտերֆերենցիան (երբ ալիքային ֆունկցիայի տարբեր մասերը չեզոքացնում կամ ուժեղացնում են միմյանց) պահանջում է քվանտային վիճակների ճշգրիտ հավասարեցում, ու հենց մենք ինֆորմացիան կորցնում ենք շրջակա միջավայրում, դա դառնում է անհնար։
Դա էլ դեկոհերենցիան է։ Հենց մեր քվանտային սուպերպոզիցիան ներառում է ազատության բազմաթիվ աստիճաններով մակրոսկոպիկ համակարգեր, որոնք խճճվում են ավելի ընդարձակ միջավայրում, այդ սուպերպոզիցիայի տարբեր անդամները սկսում են զարգանալ միմյանցից լրիվ անկախ։ Կարծես, դրանք լրիվ տարբեր աշխարհներ են։
Ու այդպես էլ կա։ Մենք չենք մտածի մինչև դիտարկումը եղած մեր (1) վիճակի մասին իբրև երկու տարբեր աշխարհներ նկարագրող. դա ընդամենը մեկ աշխարհ է, որում մասնիկը գտնվում է սուպերպոզիցիայում։ Սակայն (2)-ը ներառում է արդեն երկու աշխարհ։ Տարբերությունը նրանում է, որ մենք կարող ենք պատկերացնել, ինչպես կարելի է չեղարկել (1)-ի սուպերպոզիցիան` մանրակրկիտ մանիպուլյացիաներ անելով մասնիկի հետ, սակայն (2)-ում երկու ճյուղերի միջև տարբերությունը «տարրալուծվել է» շրջակա միջավայրում ու հավերժ կորել է այնտեղ։
Ամբողջ վերոնշյալը հանգում է հետևյալին. (2)-ի նման չփոխազդող երկու «աշխարհ» ներառող քվանտային վիճակի նկարագրության համար ընդհանրապես կարիք չկա ոչինչ ավելացնել Տիեզերքի մեր քվանտային նկարագրության մեջ, ի տարբերություն դասական ֆիզիկայի դեպքի։ Բոլոր բաղադրամասերն արդեն այդ նկարագրության մեջ են։ Մեր միակ ենթադրությունն այն էր, որ ապարատը ենթարկվում է քվանտային մեխանիկայի կանոններին ճիշտ նույն կերպ, ինչպես մասնիկը, ինչը չափազանց փափուկ ենթադրություն է, եթե մենք համարում ենք, որ քվանտային մեխանիկան իրականության ճիշտ տեսություն է։
Հաշվի առնելով դա, մենք գիտենք, որ մասնիկը կարող է գտնվել «Սփինը վերև» կամ «Սփինը ներքև» վիճակներում, մենք նաև գիտենք, որ ապարատը կարող է լինել «պատրաստ է», կամ «չափված սփինը վերև», կամ էլ «չափված սփինը ներքև» վիճակներում։ Ու եթե դա ճիշտ է, քվանտային վիճակը կարող է նկարագրել նաև չփոխազդող աշխարհների սուպերպոզիցիան։ Մենք ոչ միայն կարիք չունենք ոչինչ ավելացնելու, դա իրական դարձնելու համար, մենք այս հարցում ընդհանրապես ընտրություն չունենք։ Բազմաթիվ աշխարհների ներուժը առկա է քվանտային վիճակում, դուր է գալիս դա մեզ, թե ոչ։
Հաջորդ հարցը կայանում է նրանում, իրո՞ք (2)-ում նկարագրված բազմաթիվ աշխարհների սուպերպոզիցիան առաջանում է։ Ու պատասխանը կրկին այո է։ Այն առաջանում է ավտոմատ կերպով, առանց որևիցե լրացուցիչ ենթադրությունների։ Դա ուղղակի քվանտային համակարգի սովորական էվոլյուցիա է Շրյոդինգերի հավասարման համաձայն։ Իրոք, այն փաստը, որ (1)-ի նման վիճակը էվոլյուցիայի ընթացքում վերածվում է (2)-ի նման վիճակի Շրյոդինգերի հավասարման համաձայն դա այն է, ինչ մենք նկատի ունենք` ասելով. «Այս ապարատը չափում է` արդյո՞ք սփինն ուղղված է դեպի վերև, թե՞ դեպի ներքև»։
Այսպիսով, եզրակացությունը կայանում է նրանում, որ բազմաթիվ աշխարհներն ավտոմատ առաջանում են քվանտային մեխանիկայում։ Դրանք ֆորմալիզմի անխուսափելի մասն են։ Միակ մնացած հարցը. ի՞նչ եք պատրաստվում դրա հետ անել։
Սկեպտիցիզմի փոքրիկ դոզա
Բազմաթիվ աշխարհների ինտերպրետացիան ճիշտ է միայն այն դեպքում, երբ քվանտային մեխանիկան համարում ենք ավարտուն տեսություն, որը լիարժեք նկարագրում է Տիեզերքն, ու եթե բառացի ենք հասկանում քվանտային մեխանիկայի ատրիբուտները։ Օրինակ, նույն ալիքային ֆունկցիան Կոպենհագենյան ինտերպրետացիայում ընդամենը մաթեմատիկական գործիք է, որը գիտնականն օգտագործում է սեփական դիտարկումների կանխատեսումներն անելու համար, այն ոչ մի ֆիզիկական իմաստ չունի։ Քվանտային մեխանիկան, ըստ այդ ինտերպրետացիայի, չի նկարագրում, թե ինչպես է «աշխատում» Տիեզերքը։ Այն նկարագրում է միայն միկրոսկոպիկ մասնիկների հետ կապված սուբյեկտիվ գիտափորձերի արդյունքների հավանականությունը։
Բազմաթիվ աշխարհների ինտերպրետացիան, հակառակը, համարում է, որ ալիքային ֆունկցիան իրականում գոյություն ունեցող ֆիզիկական օբյեկտ է, որը դեկոհերենցիայի հետևանքով բաժանվում է առանձին «աշխարհների»։ Ընդ որում, ինտերպրետացիան ունի լրջագույն խնդիրներ` կապված նրա հետ, թե ինչպես են առաջանում հավանականությունները, ինչպես է աշխատում Բորնի կանոնը, որ բազիսում է տեղի ունենում «աշխարհների» բաժանումն ու ինչու և այլն։