«Все везде и сразу» с точки зрения науки: какой может быть мультивселенная?

Тема мультивселенной пользуется невиданной популярностью. Да что там, она буквально везде – кинокомиксы, мультсериалы, компьютерные игры и даже оскароносные картины. Так, фильм студии А24 «Все везде и сразу», получил целых семь статуэток, включая номинацию за «лучший фильм», «лучший монтаж» и «дизайн костюмов». В фильме героиня Мишель Йео Эвелин Ван соединяется с версиями самой себя в параллельных вселенных, чтобы предотвратить разрушение мультивселенной. Эта захватывающая история, безусловно, выдумка, но вот идея не нова – еще в XVI веке итальянский философ Джордано Бруно предполагал существование невидимых миров, в которых события развиваются иначе, однако физики всерьез обратились к этой идее через 400 лет. Сегодня официальная наука относится к теории мультивселенной скептически, однако ее многомировая интерпретация все чаще привлекает внимание.с

Физика – это одна из базисных наук и одно из основополагающих человеческих начинаний. Мы осматриваемся в вмире и видим, что он полон материи. Но что это за материя и каковы ее свойства? – Дэвид Дойч, «Структура реальности. Наука параллельных вселенных»

Природа реальности

В 1801 году, изучая природу света, физик и астроном Томас Юнг продемонстрировал, что свет и материя могут одновременно вести себя и как частица и как волна. 127 лет спустя физики Гермер и Дэвиссон доказали, что такими же характеристиками обладают электроны, и, как выяснилось впоследствии, атомы и молекулы.

В первоначальном эксперименте источник света был направлен на пластину с двумя параллельными щелями, за которой располагался экран. На нем Юнг увидел яркие и темные полосы – интерференцию световых волн – подтверждение двойственной природы света и… реальности.

ОТО Эйнштейна описывает гравитацию, черные дыры, расширение вселенной и даже путешествия во времени.

Опыт Юнга лег в основу квантовой механики – научной дисциплины, понять которую в полной мере не в силах даже ученые. В отличие от Общей теории относительности (ОТО), которая описывает универсальные пространственно-временные свойства физических процессов, квантовая механика объясняет устройство Вселенной на уровне атомов – крошечных кирпичиков мироздания. Этот невидимый человеческому глазу мир лежит в основе Стандартной модели, однако противоречит постулатам ОТО и демонстрирует вероятностную и двойственную природу реальности.

Квантовая теория делает предсказания о реальности, но ничего не говорит о том, как именно она устроена.

Несоответствие ОТО и квантовой механики поражает, поскольку каждая из них прекрасно работает по отдельности. Эту проблему физики не могут решить на протяжении десятилетий, из-за чего наше понимание устройства и структуры Вселенной остается неполным и крайне противоречивым.

Мир в суперпозиции

Итак, согласно принципам квантовой механики, свет, атомы и молекулы могут вести себя и как частица и как волна одновременно. Но что это говорит об устройстве мироздания? В попытках ответить на этот вопрос австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер в 1935 году придумал необычный эксперимент, представив кота в коробке.

Находясь в состоянии суперпозиции кот одновременно ни жив, ни мертв

Возьмем коробку и поместим внутрь механизм с радиоактивным атомным ядром и емкость с ядовитым газом. Затем положим в нее кота и закроем крышку. Параметры эксперимента подобраны таким образом, что вероятность распада ядра составляет 50%, а значит через час животное либо умрет, либо нет. Ответ, однако, мы не узнаем пока не откроем коробку, а значит кот в течение часа будет находиться в суперпозиции – то есть будет одновременно и жив и мертв.

Этот принцип называется квантовой суперпозицией и представляет собой состояние частицы до ее измерения. Суперпозицию ученые обозначают волновой функцией, которая описывает все возможные состояния частицы. Наиболее распространенными символами для обозначения волновой функции являются строчные и заглавные греческие буквы ψ и Ψ.

Выходит, кот в эксперименте Шредингера и жив и мертв, прямо как фотон в опыте Юнга, который ведет себя и как частица и как волна одновременно. Да, квантовая механика демонстрирует нам абсурдность реальности, однако с точки зрения математики все верно. И хотя эксперимент Шредингера был задуман для демонстрации несостоятельности квантовой теории, это не помешало Вернеру Гейзенбергу и Нильсу Бору сформулировать ее интерпретацию в 1927 году.

Представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения.

Согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, волновая функция неизбежно коллапсирует в одно из состояний – то есть кот либо умрет, когда мы откроем коробку, либо останется жив. Как и фотон, который, проходя через одну щель предстает перед наблюдателем частицей, а не волной (и наоборот). Таким образом измерив, например, состояния электрона мы получаем два возможных ответа/состояния электрона (спин вверх или вниз).

Параллельные миры

Учитывая многочисленные странности квантовой теории, академическое сообщество с осторожностью относилось к ее интерпретации. Эйнштейн, например, не мог смириться с явлением квантовой запутанности – необъяснимой связи двух частиц, неподвластной расстоянию между ними. И пока физики старались уйти от абсурдности теории, аспирант Принстонского университета Хью Эверетт намеренно акцентировал на ней внимание.

В 1954 году Эверетт предложил революционную интерпретацию квантовой механики, которую академическое сообщество не восприняло всерьез. Отцы-основатели квантовой теории сочли работу аспиранта не нужной и парадоксальной, отмечая, что она не имеет никакого отношения к Стандартной модели. Однако со временем идеи австрийского физика привлекли внимание космологов, изучающих эволюцию и структуру Вселенной.

Согласно Многомировой интерпретации квантовой механики, существует множество миров, расположившихся параллельно в том же пространстве и времени, что и наш с вами дом

Этот интерес понятен, ведь во Вселенной существуют далекие и ненаблюдаемые области, которые могут подчиняться неизвестным физическим законам. Безусловно, гипотеза о группе множественных вселенных, существующих параллельно друг другу, не имеет доказательств однако в то же самое время вытекает из принципов квантовой механики.

Какой бы абсурдной не казалась нам работа австрийского физика-теоретика, она опирается на основополагающий принцип квантовой теории – корпускулярно-волновой дуализм. Эверетт предположил, что измеряя вращение электрона в суперпозиции, можно получить не только два возможных ответа, как гласит Копенгагенская интерпретация. Все потому, что все квантовые объекты можно описать с помощью волновой функции, а значит они могут находиться во множестве состояний до того, как мы начали их измерять. Таким образом результат измерения можно предсказать не всегда.

Телесериал 1990-х «Параллельные миры» (Sliders), рассказывает о небольшой группе молодых людей, заблудившихся в мультивселенной. Один из лучших сериалов жанра.

Вообще, диссертация Эверетта касается универсального значения волновой функции, описывающей единый квантовый мир – бесконечный набор возможных состояний. Вот откуда взялись параллельные миры (несмотря на отсутствие каких-либо доказательств).

Эверетт предложил, что существует единственный объект квантовой онтологии — волновая функция — и только единственный путь эволюции волновой функции — посредством уравнения Шрёдингера. Коллапсы не существуют, нет фундаментального разделения между системой и наблюдателем, нет специальной роли для наблюдателя, – объясняет физик-теоретик Шон Кэролл.

Это, однако, не мешает космологам рассматривать интерпретацию Эверетта в контексте спорных космологических теорий, например, теории струн и космологической инфляции. Ну а полет фантазии традиционно достается писателям и сценаристам, позволяя вдоволь поразмышлять о том, какой может быть жизнь в мультивселенной.

Мультивселенная допускает все, а значит воображение может оказаться одной из форм виртуальной реальности.

Мультивселенная Хокинга и Пенроуза

Хью Эверетт, однако, не был единственным ученым, готовым рассматривать непопулярные и радикальные гипотезы. Так, в 2017 году британский физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что Вселенная конечна и проще, чем нам кажется. Говоря о мультивселенной, Хокинг отмечал, что мир не сводится к уникальной вселенной и вместо бесконечного количества миров, вероятно, существует их ограниченное и небольшое количество.

Всерьез к теме множественности миров относится и лауреат Нобелевской премии по физике сэр Роджер Пенроуз. В 2020 году он заявил, что Вселенная могла существовать до Большого взрыва, что доказывает существование реликтового излучения (СМВ) – слабого теплового излучения, равномерно заполняющего Вселенную. Считается, что СМВ хранит отпечатки истории и эволюции Вселенной.

В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной

Ряд космологов поддерживает идеи Пенроуза, хотя доказательств в их защиту на сегодняшний день нет. И хотя мало кто сомневается в том, что Вселенная родилась после Большого взрыва, то, что происходило до него (и происходило ли вообще) неизвестно.

Теневые фотоны Дэвида Дойча

Квантовая механика и ее интерпретации требуют осторожного и не спекулятивного подхода, однако без новых идей добиться прогресса нельзя. Так, несмотря на отсутствие каких-либо доказательств существования мультиверса, физик-теоретик Дэвид Дойч предлагает новую интерпретацию интерференции.

Дополнив эксперимент Юнга, Дойч ведет наблюдение за одиночным фотоном, проходящим через единственную щель. Полученная интерференционная картина свидетельствует «о существовании бурлящего, невероятно сложного, скрытого мира теневых фотонов и огромного количества параллельных вселенных, похожих друг на друга и подчиняющихся одним и тем же законам физики», – пишет Дойч.

Единственное различие между этими мирами заключается в том, что частицы в каждой вселенной находятся в разных положениях.

Дэвид Дойч – британский физик-теоретик, профессор Оксфордского университета

Мультивселенная Дойча, однако, не похожа на гипотетические миры описанные ранее – в ней совершенно новые вселенные спонтанно отделяются друг от друга, как множество пузырьков в бокале шампанского. Некоторые из этих вселенных быстро исчезают, другие существуют долго, а третьи могут оказаться пристанищем для разумной жизни. Проблема заключается в том, что возможные обитатели этих теневых миров никогда не узнают о существовании друг друга.

Мультивселенная Дойча не похожа на предположения космологов и писателей-фантастов, а в ее основе лежит взаимодействие неизвестных науке теневых фотонов с известными нам квантами света. Эта мультивселенная напоминает сложную композицию похожих друг на друга но не идентичных миров, сосчитать которые невозможно.

Как устроена Вселенная, мы, возможно, так никогда и не узнаем, но можем предполагать

В книге «Структура реальности» Дойч приводит ряд аргументов, согласно которым число теневых вселенных превышает триллион, а его подход заключается в том, чтобы понять природу реальности. Для этого, как известно, необходимо мыслить нестандартно и не бояться новых, порой радикальных идей. «Отсюда вытекает, что реальность гораздо обширнее, чем кажется, и большая ее часть невидима», – пишет он.

Дойч также объединяет физику, математику, философию, историю, эволюцию, путешествия во времени и мультивселенную, тем самым создавая единую теорию мироздания. И хотя наше восприятие мира ограниченно, именно знания, как полагает Дойч, являются ключом к пониманию мироздания и нашего места в нем.

«Все везде и сразу» называют Матрицей нашего времени. Согласны?

Пусть наши жизни коротки и не имеют четкого направления, но по крайней мере мы можем гордиться тем, с какой отвагой мы объединяем усилия в попытках понять вещи, куда более великие, чем мы сами, – Шон Кэролл, «Вечность. В поисках окончательной теории времени»