Удивительно, но этот эксперимент требовал довольно нехитрого оборудования. Однако также требовал, чтобы вы были на редкость фанатичным экспериментатором, поскольку включал в себя многократно повторяющуюся ускоренную версию эксперимента Шрёдингера с вами в роли кота. Оборудование представляло собой "квантовый пулемёт", который стреляет в зависимости от исхода квантового измерения. То есть всякий раз, когда пулемёт запускается, он помещает частицу в состояние суперпозиции двух равновероятных состояний (скажем, вращения по или против часовой стрелки), а затем выполняет измерение частицы. Если оказывается, что она находится в первом из двух состояний, пулемёт выстреливает, а в противном случае лишь громко щёлкает. Детальное устройство этого механизма не имеет значения, важно лишь, что интервал времени между квантовым измерением и выстрелом гораздо короче характерного времени человеческого восприятия - скажем, 1/100 секунды.
Теперь предположим, что вы запускаете квантовый пулемёт в автоматическом режиме, и он срабатывает один раз в секунду. Независимо от того, верите ли вы в параллельные вселенные Эверетта, нетрудно предсказать, что вы услышите кажущуюся случайной последовательность выстрелов и щелчков: выстрел-щелчок-выстрел-выстрел-выстрел-щелчок-щелчок-выстрел-щелчок-щелчок. И тут вы делаете нечто экстремальное: помещаете голову на линию огня и ждёте. Что вы ожидаете почувствовать? Это зависит от того, реальны эвереттовские параллельные вселенные или нет. Если нет, то у каждого квантового измерения только один исход, так что секунду спустя вы определённо будете мертвы либо живы - и то, и другое с вероятностью 50 %. И если вы умеренно везучий человек, то услышите один-другой щелчок, и больше ничего - игра окончена. Вероятность прожить n секунд составляет 1/2, так что ваши шансы прожить минуту составляют менее одной квинтиллионой (10). С другой стороны, если эвереттовские параллельные вселенные реальны, то через секунду будут существовать две параллельные вселенные: в одной вы живы, а во второй мертвы, и всё вокруг забрызгано кровью. Иными словами, существует ровно одна ваша копия, обладающая восприятием и до, и после события-триггера, а поскольку процесс протекает слишком быстро для восприятия, предсказание состоит в том, что вы услышите щелчок со стопроцентной вероятностью. Подождите немного, и вы обнаружите нечто странное: поместив голову на линию огня с, казалось бы, случайной чередой выстрелов и щелчков, вы услышите щелчок-щелчок-щелчок-щелчок-щелчок-щелчок-щелчок и т. д. После десяти щелчков вы сможете исключить коллапс волновой функции с уверенностью 99,9 % в том смысле, что если коллапс волновой функции действительно происходит, то вероятность быть мёртвым к этому моменту превысит 99,9 %. Через минуту вероятность того, что Эверетт ошибался, будет составлять одну квинтилионную. Чтобы снять любые сомнения в исправности квантового пулемёта, вы убираете голову с линии огня и обнаруживаете, что волшебным образом выстрелы и щелчки снова начали чередоваться.
Если вы теперь убеждены, что Эверетт прав, и зовёте подругу, чтобы она понаблюдала за экспериментом, есть одна тонкость. Хотя вы остаётесь в живых только в одной параллельной вселенной, она остаётся жить во всех и обычно видит, как через несколько секунд вы умираете. Так что единственное, в чём она убедится, так это в том, что вы сумасшедший.
Джон Уилер нашёл это интересным. Я сказал, что, по-моему, многие физики обрадовались бы, если бы на смертном одре к ним явился всезнающий джинн и в награду за неизменное любопытство в течение жизни дал ответ на любой физический вопрос. Но что если бы джинн запретил рассказывать об этом другим? Возможно, величайшая ирония квантовой механики состоит в том, что если Эверетт прав, то ситуация аналогична тому, как если бы вы были готовы умереть и многократно повторяли попытки квантового суицида: вы лично убедились бы в существовании параллельных вселенных, но больше никого не убедили бы.
Вы, конечно, можете убедить друзей, если проведёте эксперимент с суицидом совместно, скажем, присоединив квантовый триггер к атомной бомбе, так что вы окажетесь лишь в тех параллельных вселенных, где все ваши друзья живы или все мертвы. Но после этого они вряд ли останутся вашими друзьями.
Квантовое бессмертие?
После публикации о "квантовом суициде" статьи на эту тему появились в журнале "Сайентифик американ" и газете "Гардиан". Они привлекли внимание публики, и было забавно наблюдать, как эта идея появляется в многочисленных научно-фантастических рассказах. Я уже упоминал, что когда приходит время, у многих людей возникают сходные идеи, и я позднее обнаружил, что другие люди размышляли ранее подобным образом, начиная, вероятно, с австрийского математика Ханса Моравека, который упоминает об этой идее в книге об искусственном интеллекте "Дети разума" (1988). Однако я считаю, что, в отличие от моих прежних переоткрытий, в данном случае я внёс некоторый вклад, популяризовав идею.
Вскоре меня засыпали электронными письмами с интересными вопросами о "квантовом суициде". Это заставило меня глубже поразмыслить об его следствиях, и вот моё самое любимое: если считать все потенциально летальные события в природе экспериментами с "квантовым суицидом", не получится ли, что вы должны ожидать бессмертия? Ответить на этот вопрос можно с помощью простого эксперимента: подождать и посмотреть! Если однажды после большого числа кажущихся невероятными совпадений вы окажетесь самым старым человеком на Земле, то почти наверняка всё так и есть. Заметьте, что вам не следует ждать, что другие станут невероятно старыми - так же, как вы не ожидаете увидеть других долгожителями, если они ставят на себе эксперимент с "квантовым суицидом".
Так что предсказывают законы физики, если считать, что Эверетт прав и волновая функция никогда не коллапсирует? Чтобы иметь шансы на успех, эксперимент с "квантовым суицидом" должен удовлетворять трём критериям:
1. Генератор случайных чисел должен быть квантовым, а не классическим (детерминистическим), чтобы вы действительно оказывались в состояния суперпозиции живого и мёртвого.
2. Он должен убивать вас (или по крайней мере лишать сознания) за время короче того, что нужно вам для осознания исхода квантового измерения; в противном случае вы на секунду или больше получите лишь очень несчастную версию самого себя, твёрдо знающую, что она обречена, и весь эффект пропадёт.
3. Он должен гарантированно убивать вас, а не просто ранить.
Большинство несчастных случаев и других обычных причин смерти, очевидно, не удовлетворяют всем трём критериям, а значит, в результате вы не будете чувствовать себя бессмертным. В частности, если говорить о критерии № 2, то в обычных обстоятельствах процесс умирания не носит бинарного характера, когда вы либо живы, либо мертвы, а скорее представлен целым континуумом состояний постепенно убывающего самосознания. Чтобы имел место квантовый суицид, необходимо обеспечить резкий переход. Я подозреваю, что по мере старения клетки моего мозга будут отмирать (на самом деле этот процесс уже идёт), так что моё самосознание сохраняется, но становится всё слабее. Это делает финальную стадию смерти не слишком впечатляющей, вроде смерти амёбы.
Критерий № 3 определяет, сколько времени должен осуществляться эксперимент по квантовому суициду на практике, прежде чем непредвиденные события спасут вашу жизнь. Например, каждые несколько лет, примерно раз в 10 ≈ 2 секунд, в моём районе случается отключение электроэнергии. Значит, если "квантовый пулемёт" работает от электрической сети, а не от собственных батарей, то следует ожидать около 27 щелчков, а затем отключение электричества прервёт эксперимент, поскольку с этого момента будет существовать больше параллельных вселенных с живым мной и неработающим пулемётом, чем с пулемётом действующим. Чем дольше пулемёт проработает, тем больше невероятных событий может реализоваться: например, 36 секунд слыша щелчки, следует ожидать, что пулемёт будет уничтожен метеоритом… В "Автостопом по Галактике" Дугласа Адамса описывается "бесконечно-невероятностный двигатель", который позволяет пережить крайне маловероятные события. Квантовый пулемёт действует именно таким образом.
Особенно интересным я считаю критерий № 1. Допустим, ваше устройство для суицида основано не на квантовой случайности, а на чём-либо вроде подбрасывания монеты. То есть предсказать, выпадет орёл или решка, можно в принципе, но не на практике, поскольку невозможно во всех деталях определить, как первоначально двигалась монета, и выполнить все вычисления. В этом случае, если у вас изначально имелась одна параллельная вселенная, то и после первой секунды она осталась бы, а вот вы оказались бы либо живы, либо мертвы, в зависимости от исходного положения и движения монеты, так что не смогли бы чувствовать себя субъективно бессмертным.
Но что если реален мультиверс I уровня (гл. 6)? Тогда вначале должно существовать бесконечно много параллельных вселенных, которые содержат вас в субъективно неразличимых состояниях сознания, но с неизмеримо малыми различиями в начальном положении и скорости монеты. Через секунду вы будете мертвы в половине этих вселенных, но независимо от того, сколько раз эксперимент повторяется, всегда найдутся такие вселенные, где вас никогда не застрелят. Иными словами, описанный жуткий эксперимент может раскрыть существование не только параллельных вселенных III (квантового) уровня, но и параллельных вселенных в более широком смысле.
Знаю, что это может показаться безумием. (В подобных случаях предупреждают: "Не пытайтесь проделать это самостоятельно".) Более того (гл. 11), я теперь не вполне убеждён и в действенности эксперимента с квантовым суицидом, и в реальности квантового бессмертия, поскольку и то, и другое критически зависит от существования в природе бесконечно делимого математического континуума, в чём я сильно сомневаюсь. Но кто знает? Когда наступит роковой день и вы будете уверены, что ваша жизнь подошла к концу, помните: не надо говорить себе, что от вас ничего не останется, поскольку это может оказаться не так. Возможно, вы лично убедитесь, что параллельные вселенные существуют.
Мультиверс объединённый
Все животные равны, но некоторые животные равнее других.
Джордж Оруэлл, "Скотский хутор"
Я никак не мог выкинуть из головы мысль: не представляют ли мультиверсы I и III уровней в некотором смысле одно и то же? Можно ли их каким-либо образом объединить, подобно тому, как Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм, а Эйнштейн объединил пространство и время в пространство-время? С одной стороны, кажется, что их природа различна. Параллельные вселенные I уровня (гл. 6) находятся где-то очень далеко в нашем старом добром трёхмерном пространстве, а параллельные вселенные III уровня из этой главы могут располагаться прямо здесь, в смысле наших трёх измерений, но они отделены от нас в гильбертовом пространстве (абстрактном пространстве с бесконечным числом измерений, в котором обитает волновая функция). С другой стороны, мультиверсы I и III уровней имеют много общего. Жауме Гаррига и Александр Виленкин показали, что параллельные вселенные I уровня, порождённые космологической инфляцией, содержат те же последовательности событий, что и эвереттовские квантовые параллельные вселенные. (Я пришёл к тем же выводам.) Если квантовое событие вызывает два события, происходящих в квантовой суперпозиции (рис. 8.10), фактически расщепляя ваше будущее на две параллельные квантовые ветви, то параллельный квантовый исход, о котором вы сейчас ничего не знаете, происходит также и здесь, в вашей квантовой ветви, но очень далеко в пространстве.
И был ещё один источник беспокойства: Энтони Агирре. Он один из моих лучших друзей, и наши жизни во многом параллельны: мы оба пытаемся найти баланс между карьерой и двумя маленькими сыновьями, оба захвачены глобальными проблемами, вместе основали Институт фундаментальных вопросов (fqxi.org), филантропически финансируемую организацию, которая вкладывается в высокорисковые, но обещающие большую отдачу физические исследования, непривлекательные для обычных фондов. Чем же Энтони меня беспокоил? "Что если одни параллельные вселенные равнее других?" - спрашивал он.
Рис. 8.10. Сравнение параллельных вселенных уровней I и III. В то время как параллельные вселенные I уровня находятся очень далеко в пространстве, вселенные, относящиеся к III уровню, располагаются прямо здесь, возникая за счёт квантовых событий, которые расщепляют классическую реальность на расходящиеся истории. Тем не менее III уровень не добавляет новых историй к имеющимся на уровнях I или II.
Энтони обращал внимание на то, что объяснение квантовых вероятностей, которое я дал в этой главе, отлично подходит, если исходы имеют одинаковую вероятность (как в случае квантовых карт, которые падают лицом вверх или вниз с равными шансами в 50 %), но всё усложняется, если вероятности неодинаковы. Предположим, например, что в начале эксперимента вы чуть наклонили карту, и вероятность (квадрат волновой функции) падения лицом вверх составляет теперь 2/3, а лицом вниз - 1/3. Тогда рис. 8.2 выглядел бы по-прежнему - на нём осталось бы 2 × 2 × 2 × 2 = 16 исходов после четырёх попыток, а наиболее вероятным исходом стало бы падение карты лицом вверх в 50 %, а не в 2/3 случаев. Эверетт спасает положение и всё же умудряется предсказать вероятность 2/3, опираясь на то утверждение, что некоторые исходы имеют большую меру существования, нежели другие (причём её можно вычислить как квадрат волновой функции). Это работает, и многие учёные пытались выстроить тщательно продуманную аргументацию, почему именно квадрат волновой функции должен играть эту роль. Однако Энтони убедил меня в том, что это страшный недостаток в остальном элегантных эвереттовских построений. Меня часто спрашивают, верю ли я в реальность параллельных вселенных Эверетта. Ответ "Да, но… хм… как бы сказать… Некоторые из них реальнее, чем другие" звучит крайне неубедительно.
В марте 2008 года Энтони рассказал мне о возможном подходе к решению этой проблемы (я вскоре его изложу), предложенном его гарвардским профессором Дэвидом Лэйзером. Мы провели два замечательных часа в кафе "Белмонт", исписывая салфетки математическими символами, - но всё впустую. Мы не смогли заставить работать эту математику. Но я не мог и выкинуть эту идею из головы. Два года спустя я нашёл статью, написанную в 1968 году теоретиком квантовой гравитации Джимом Хартлом, которая, как я чувствовал, содержала ещё одну деталь пазла. Но, сидя поздним вечером 6 марта 2010 года в своей квартире в Уинчестере, я никак не мог сложить части головоломки. Я решил прогуляться. К моему удивлению, всего через пять минут на холоде у меня в голове наконец-то щёлкнуло! Я вдруг понял, как разом решить обе проблемы: объединить два уровня мультиверсов и объяснить неравные вероятности. Это не давало мне уснуть до трёх часов ночи и поглотило весь следующий день, который я провёл в изумительном, подобном трансу состоянии, которое испытываешь, когда совершенно что-либо понимаешь. Я чувствовал, что это одна из самых замечательных догадок, посетивших меня с момента переоткрытия декогеренции девятью годами ранее, и я не мог остановиться, пока не написал четырёхстраничный набросок статьи для Энтони.
Рис. 8.11 иллюстрирует ключевую идею. Допустим, вы собираетесь выполнить эксперимент с квантовыми картами, слегка наклонив карту, так что ожидаете увидеть её упавшей лицом вверх и выиграть 100 долларов с вероятностью 2/3. В традиционном виде (слева в каждом прямоугольнике на рис. 8.11) вначале имеется одна ваша копия, а затем, после эксперимента, - одна либо две копии, в зависимости от того, коллапсирует волновая функция или нет. Если верна копенгагенская интерпретация, то будет существовать один определённый исход, полученный случайным образом. Если же прав Эверетт, то будет две параллельных вселенных, и каждая содержит по одному вашему экземпляру: одна, в которой вы радуетесь выигрышу, другая - где вы опечалены проигрышем.
Пусть теперь существует мультиверс I уровня (гл. 6), как и предполагает современная космология. Это означает, что бесконечное число неотличимых от вас копий выполняет точно тот же эксперимент на других планетах очень-очень далеко (на рисунке это показано рядом нейтральных смайликов). В своих подсчётах я предположил, что уравнение Шрёдингера для волновой функции описывает всю совокупность частиц, составляющих все ваши копии и копии эксперимента.
Что в итоге? Если волновая функция коллапсирует, получится один случайный исход для всего бесконечного пространства (мультиверса I уровня), так что вы окажетесь довольным на 2/3 планет и опечаленным на 1/3 - здесь нет ничего удивительного. Если же Эверетт прав в том, что коллапса не происходит, то результатом станет целое бесконечное пространство в квантовой суперпозиции различных состояний, в каждом из которых вы радуетесь на одних планетах и печалитесь на других. А теперь - самое интересное. Все эти состояния пространства оказываются неотличимы друг от друга: вы счастливы ровно на 2/3 бесконечного множества планет! Любая конечная последовательность планет со счастливыми и несчастливыми исходами в одном из этих состояний обнаружится где-то в ином месте пространства в каждом из остальных состояний. Можно подумать, что должны существовать отличающиеся состояния пространства, скажем, такое, где вы счастливы на всех до единой планетах. Однако, опираясь на уравнение Шрёдингера и математические свойства гильбертова пространства, я смог доказать, что получаемая в итоге волновая функция равна простой суперпозиции бесконечного числа неотличимых состояний. Нас с Энтони по ряду причин это поразило.