«Самая непостижимая вещь во вселенной — это то, что она понятна», однажды сказал Альберт Эйнштейн. В наши дни, однако, Вселенную трудно назвать понятной или даже уникальной. Фундаментальная физика переживает кризис, связанный с двумя популярными концепциями, которые часто называют «multiverse» и «uglyverse», что дословно расшифровывается как «множественная вселенная» и «уродливая вселенная».
Как устроена вселенная?
Сторонники множественной вселенной отстаивают идею существования неисчислимого множества других вселенных, некоторые из которых имеют совершенно другую физику и число пространственных измерений; в этих вселенных вы, я и все остальные могут существовать в виде бесчисленных копий. «Мультивселенная может быть самой опасной идеей в физике», считает южноафриканский космолог Джордж Эллис.
С самых первых дней науки обнаружение маловероятного совпадения приводило к необходимости объяснять его, искать скрытую причину и мотив. Среди современных примеров есть такой: законы физики, по всей видимости, точно настроены таким образом, чтобы позволить существование разумных существ, которые могут обнаружить эти законы — это совпадение, требующее объяснения.
С появлением мультивселенной все изменилось: каким бы невероятным ни было совпадение, в миллиардах миллиардов вселенных, составляющих мультивселенную, хоть где-нибудь — оно будет. И если совпадение кажется способствующим появлению сложных структур, жизни или сознания, нам не стоит даже удивляться, что мы оказались во вселенной, которая позволяет нам существовать в первую очередь. Но это «антропное рассуждение», в свою очередь, подразумевает, что мы не можем ничего предсказывать. Нет никаких очевидных принципов для физиков ЦЕРН в поиске новых частиц. И нет никакого фундаментального закона, который можно было бы обнаружить за случайными свойствами вселенной.
Совершенно иной, но не менее опасной стала другая проблема — «уродливая вселенная». Как считает физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, современная физика была сбита с толку своим влечением к «прекрасному», что привело к возникновению математически элегантных, спекулятивных фантазий без каких-либо связей с экспериментами. Физики «потерялись в математике», считает она. И то, что физики называют «красотой», это структуры и симметрии. Если мы не можем полагаться на такие концепции более, разница между пониманием и простым соответствием экспериментальным данным будет размыта.
Обе проблемы имеют почву под собой. «Почему законам природы не плевать на то, что я считаю прекрасным?», справедливо задается вопросом Хоссенфельдер. И ответ таков: им плевать. Конечно, природа могла бы быть сложной, путанной и непостижимой — если бы она была классической. Но природа не такая. Природа квантово-механическая. И хотя классическая физика — это наука о нашей повседневной жизни, в которой объекты отделимы друг от друга, квантовая механика иная. Состояние вашего автомобиля не связано с цветом платья вашей жены. Но в квантовой механики все вещи находятся в причинно-следственной зависимости друг от друга, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии». Такие корреляции составляют структуру, а структура это красиво.
И напротив, мультивселенную, похоже, трудно отрицать. Квантовая механика, в частности, прекрасно к ней относится. Выстрел отдельными электронами в экран с двумя щелями приводит к появлению интерференционной картины на детекторе за экраном. В каждом из случаев оказывается, что электрон проходит мимо обе щели каждый раз.
Квантовая физика — это наука, стоящая за ядерными взрывами, смартфонами и столкновениями частиц — и она известна своими странностями, вроде кота Шрёдингера, существующего в подвешенном состоянии между жизнью и смертью. В квантовой механике различные реальности могут накладываться одна на другую (вроде «частица здесь» и «частица там» или «кот жив» и «кот мертв»), подобно волнам на поверхности озера. Частица может быть наполовину здесь и наполовину там. Это называется суперпозицией, и именно она приводит к появлению интерференционной картины.
Первоначально разработанная для описания микроскопического мира, квантовая механика в последние годы показала, что она управляет все более крупными объект, если они достаточно изолированы от окружающей среды. Однако почему-то наша повседневная жизнь каким-то образом защищена от слишком большого количества квантовых странностей. Никто никогда не видел полуживого кота и всякий раз, когда вы измеряете положение частицы, вы получаете определенный результат.
Прямая интерпретация предполагает, что все возможные варианты реализованы, хоть и в разных, но параллельных реальностях «ветвей Эверетта» — названных в честь Хью Эверетта, который первым отстаивал эту точку зрения, известную как многомировая интерпретация квантовой механики. «Множество миров» Эверетта на самом деле представляют лишь один из примеров мультивселенной — один из четырех. Два других не так интересны, а третий это «ландшафт теории струн», к которому мы вернемся позже.
Обращаясь к квантовой механике, чтобы оправдать красоту физики, мы похоже жертвуем уникальностью вселенной. Однако этот вывод лежит лишь на поверхности. В такой картине обычно упускается то, что мультивселенная Эверетта не является фундаментальной. Он лишь кажущаяся или «эмерджентная», как утверждает философ Дэвид Уоллес из Университета Южной Калифорнии.
Чтобы понять этот момент, нужно понять принцип, лежащий как в основе квантовых измерений, как и «жуткого действия на расстоянии». Ключевым для обоих явлений является концепция «запутанности», на которую в 1935 году указали Эйнштейн, Борис Подольский и Натаниэль Розен: в квантовой механике система двух запутанных спинов с нулевой суммой может состоять из суперпозиции пар спинов с противоположным направлением вращением при абсолютной неопределенности направлений вращения отдельных спинов. Запутанность это природный спооб объединения частей в целое; отдельные свойства составляющих перестают существовать в пользу сильно завязанной общей системы.
Всякий раз, когда квантовая система измеряется или связывается с окружающей средой, проявляется важная роль запутанности: квантовая система, наблюдатель и остальная часть вселенной переплетаются между собой. С точки зрения местного наблюдателя информация рассеивается в неизвестной среде и начинается процесс «декогеренции». Декогеренция это агент классичности: она описывает потерю квантовых свойств, когда квантовая система взаимодействует с окружением. Декогеренция работает как застежка-молния между параллельными реальностями квантовой физики. С точки зрения наблюдателя, вселенная «раскалывается» на отдельные ветви Эверетта. Наблюдатель наблюдает живого кота или мертвого кота, но ничего промежуточного. Для него мир кажется классическим, хотя с глобальной точки зрения он все еще остается квантово-механическим. Фактически, с этой точки зрения вся вселенная является квантовым объектом.
Квантовый монизм
И вот здесь мы привлекаем интереснейшую концепцию «квантового монизма», предложенного философом Джонатаном Шаффером. Шаффер размышлял над вопросом, из чего состоит вселенная. Согласно квантовому монизму, фундаментальный слой реальности состоит не из частиц или струн, а из самой вселенной, понимаемой не как сумма составляющих ее вещей, а скорее как единое запутанное квантовое состояние.
Подобные мысли высказывались и ранее, например, физиком и философом Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером: принятие квантовой механики всерьез предсказывает уникальную единую квантовую реальность, лежащую в основе мультивселенной. Однородность и крошечные колебания температуры космического микроволнового фона, которые указывают, что наблюдаемую вселенную можно проследить назад до единого квантового состояния, обычно связанного с квантовым полем первичной инфляции, поддерживают эту точку зрения.
Более того, этот вывод распространяется на другие концепции мультивселенных. Поскольку запутанность универсальна, она не ограничивается нашим космическим пузырем. Какой бы ни была мультивселенная, если вы принимаете квантовый монизм, все будет частью единого целого: всегда будет существовать более фундаментальный слой реальности, лежащий в основе множества вселенной внутри мультивселенной, и этот слой будет уникальным.
И квантовый монизм, и эвереттовская многомировая интерпретация являются предсказаниями квантовой механики. Отличает их только перспектива: то, что с точки зрения локального наблюдателя будет похоже на «множество миров», в действительности представляет собой единую уникальную вселенную с глобальной точки зрения (например, существа, которое может увидеть целую вселенную извне).
Другими словами, множество миров — это квантовый монизм глазами наблюдателя, располагающего ограниченной информацией о вселенной. Фактически, изначальная мотивация Эверетта состояла в разработке квантового описания всей вселенной в терминах «универсальной волновой функции». Взгляните на это, как через мутное окно: природа разделена на множество кусочков, но это лишь искажение перспективы.
Монизма и множественных миров можно избежать, но лишь в том случае, если кто-либо изменит формализм квантовой механики — обычно это вступает в противоречие со специальной теорией относительности Эйнштейна — или кто-то представит квантовую механику не как теорию о науке, но как о знании: человеческие представления, но не наука.
В своем нынешнем виде квантовый монизм следует рассматривать в качестве ключевого понятия в современной физике: он объясняет, почему «красота», воспринимаемая в виде структуры, корреляции и симметрии между внешне независимыми сферами природы, является не искаженным эстетическим идеалом, а следствием расщепления природы из единого квантового состояния. Кроме того, квантовый монизм также устраняет необходимость множественной вселенной, поскольку предсказывает корреляции, реализованные не только в отдельной рожденной вселенной, но и в любой отдельной ветви мультивселенной.
Наконец, квантовый монизм может решить кризис экспериментальной фундаментальной физики, которая полагается на все более крупные коллайдеры для изучения все более мелких составляющих природы. Потому что самые мелкие составляющие не будут являться фундаментальным слоем реальности. Изучение основ квантовой механики, новых сфер квантовой теории поля или крупнейших структур в космологии может быть таким же полезным.
Все это означает, что мы не должны прекращать поиски. В конце концов, этого стремления у нас не отнять. Где-то там, глубоко внизу, существует уникальная, понятная и фундаментальная реальность.