Можно ли выявить параллельную Вселенную на квантовом уровне?
Может ли странное поведение квантовых частиц указывать на существование других параллельных вселенных? Этим вопросом около пяти лет назад задался Билл Пуарье, профессор химии Техасского университета. Правда, тогда Билл не догадывался, что по мере вникания в квантовую механику сложных молекул он свалится в кроличью нору и начнет искать свидетельства других параллельных миров, которые могут проявляться в нашем собственном на квантовом уровне.
Профессор химии и биохимии Техасского технологического университета говорит, что квантовая механика - довольно странное царство реальности. Частицы на атомном и субатомном уровне могут быть в двух местах одновременно. Поскольку деятельность этих частиц настолько туманна, ученые могут описывать происходящее математически, «рисуя» крошечный пейзаж волны вероятности.
Химики вроде Пуарье рисуют эти пейзажи, чтобы лучше понимать химические реакции. Несмотря на «неопределенность» расположения частиц, волновая квантовая механика позволяет ученым делать точные прогнозы. Правила хорошо известны. По крайней мере были таковыми до того момента, пока Пуарье не нашел для себя совершенно новый способ изображения квантовых пейзажей. Вместо волн его средой стали параллельные вселенные.
Хотя его теория, которую он назвал «множеством взаимодействующих миров», звучит как научная фантастика, математически она довольно стабильна. Опубликованная впервые в 2010 году, теория привела к ряду приглашений почитать доклад и публикации в Physical Review.
«Теория привлекла много внимания в обществе фундаментальной механики и популярной прессе, - говорит Пуарье. - На симпозиуме в Вене в 2013 году, стоя в пяти футах от знаменитого нобелевского лауреата по физике, я делал презентацию этой работы, ожидая только критику. Удивительно, но ее не было вообще. Кроме того, я бы рад увидеть, что в моей математике не было очевидных ошибок».
В своей теории Пуарье предполагает, что мелкие частицы из многих миров просачиваются через взаимодействие с нашим, и это взаимодействие проявляется в странных явлениях квантовой механики. Сюда входят и частицы, которые якобы пребывают во многих местах одновременно или могут сообщаться между собой на больших расстояниях.
В его теории нет расплывчатых моментов. Частицы занимают четко определенные позиции в любом конкретном мире. Тем не менее от мира к миру эти позиции варьируются, что и объясняет, почему они могут проявиться в нескольких местах. Точно так же и квантовая связь между удаленными частицами - которую Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии» - происходит из-за взаимодействия соседствующих миров.
Теория «множества взаимодействующих миров» не доказывают, что квантовых волн не существует или что существует множество миров. Стандартная волновая теория отлично работает во многих случаях и находит экспериментальные подтверждения.
«Наша теория хотя и использует другую математику, делает те же самые экспериментальные прогнозы, - говорит он. - Все, что мы сделали, так это просто допустили возможность того, что квантовой волны не существует. Теперь у нее ровно столько же прав, сколько и у множества взаимодействующих миров, не больше и не меньше. И она может быть лучшим объяснением вопросов, над которыми бились лучшие умы человечества сотню лет».
В нанометровых масштабах частицы ведут себя не как крупные объекты, позиция которых со временем хорошо известна, вроде летящего самолета или падающего с дерева яблока. Вместо этого, иногда частицы ведут себя как фиксированные частицы, а иногда как волны. Более того: когда ученые смотрят на квантовую частицу, те ведут себя как частицы. А когда не смотрят, они внезапно становятся волнами.
Даже Альберт Эйнштейн заявлял, что сомневается в квантовых идеях, что частицы могут существовать в нескольких местах и не дают поймать себя за хвост. «Мне нравится думать, что луна там, даже когда я на нее не смотрю», - однажды сказал Эйнштейн.
Ученые используют уравнение Шредингера, математическое описание, изобретенное в 20-х годах прошлого века, которое демонстрирует безумное движение волны частиц. По крайней мере демонстрировало, пока Пуарье не взглянул на волну с другой стороны и не усомнился в этом аспекте квантовой теории. Некоторые физики не могут думать о квантовой механике без доли философии. Однако будучи химиком, Пуарье не особо заинтересован в философии и больше - в решении волнового уравнения Шредингера, которое помогает ему понять химические реакции.
«В физической химии мы заинтересованы в решении проблем, связанных с большими сложными молекулами, максимально точным образом, - говорит он. - Мы смотрим на скорость протекания химической реакции, разрешенных квантовых состояниях молекул и спектральный отпечаток, который испускает или поглощает молекула. Существует парадокс. Чтобы точно ответить на эти виды вопросов, необходима квантовая механика, но решение квантово-механических проблем для больших систем (в которых больше трех тел) чрезвычайно сложное».
Химики используют традиционные методы на основе сетки для решения квантового волнового уравнения. Однако чем сложнее молекула, тем сложнее вычисления. С каждым дополнительным атомом необходимая вычислительная мощь вырастает примерно в 10 000 раз. Чтобы облегчить вычислительную нагрузку, химики подсмотрели у инженеров идею: позволить точкам сетки двигаться подобно жидкости в «потоке» с квантовой волной. Двигаясь, точки сетки прокладывают траектории, как мячики. Если инженеры используют эту технику для моделирования потока жидкости, химики используют ее для того, чтобы рассчитать движение квантовой волны - отсюда рождается и термин «квантовая гидродинамика».
Пуарье задается вопросом, что произошло бы, если бы вы убрали волновые вычисления и продолжали работать с квантовыми траекториями, будет ли работать простое численное моделирование?
«Мне нужно было просто понять, что все, что нужно, это сами движущиеся квантовые траектории, - говорит он. - Чтобы сказать вашим траекториям, как двигаться, квантовая волна не нужна. Траектории сами определяют это. Вам вообще не нужна эта волна. Ответ на любой научный вопрос можно найти, если знать как движение волны, так и одной только траектории. Волна становится излишней и может быть полностью отброшена».
Многомировая идея далеко не нова. В 50-х годах студент Принстонского университета по имени Хью Эверетт III пришел к такому же объяснению, пытаясь понять странность квантовой механики. Пуарье говорит, что многомировая теория Эверетта базируется на стандартной математике квантовой волны, поэтому непонятно, откуда берутся эти миры или чем они определяются. Критики не соглашаются с этой теорией именно по этой причине, а также потому, что вселенные разбиваются всякий раз, когда ученые, скажем, проводят измерения.
В многомировом подходе Пуарье эти миры встроены в математику уже с самого старта, поэтому ученым не нужно делать ничего особенного, чтобы определить их. Это работает, говорит он, потому что математика на волновой основе не используется. Миры не расщепляются и не сливаются, как у Эверетта, а также взаимодействуют друг с другом (у Эверетта нет).
«Теория множества взаимодействующих миров работает скорее как стая птиц, а не как бесконечно ветвящееся дерево».
Пуарье сравнил выстраивание квантовой мехники без волновой функции с тем, будто вы строите леса, потом возводите здание изнутри, а потом понимаете, что вам не нужны были леса. С практической точки зрения меньше подвижных математических частей будут означать большую простоту. Квантовые траектории, с точки зрения Пуарье, могут быть больше, чем просто вычислительным инструментом. Они на самом деле могут объяснить, что происходит на квантовом уровне.
Представим две «запутанные» квантовые частицы, А и Б. Измерение частицы А мгновенно коррелирует с измерением далекой частицы Б, что, похоже, нарушает относительность. (Как А может сигнализировать Б быстрее скорости света?). Теория Пуарье объясняет это следующим образом. Представим два черных диска, представляющих частицы А и Б в нашем мире. Есть также соседний мир, в котором также существуют А и Б, но их позиции несколько смещены (наложенные пунктирные окружности). Они взаимодействуют, поскольку находятся близко друг к другу, даже если два других разделены между собой.
«Долгое время люди спорили о философском значении волновой функции и о том, как ее следует интерпретировать, - говорит он. - Теперь мы вдруг поняли, что могли совершенно неправильно сформулировать аргумент. Фундаментальным вопросом должен быть такой: существует ли вообще волновая функция, и если нет, что занимает ее место?
В настоящее время мы не можем сказать наверняка, что волновой функции не существует. Только то, что ее существование не необходимо, поскольку нашли другой математический метод, который обеспечивает нас той же информацией. И новый математический метод выводит все необходимые данные из параллельных вселенных».
Пуарье объясняет, что в классическом физическом мире, где работают люди, все находится в определенном состоянии относительно скорости и положения. Например, те же самолеты и падающие яблоки. Мы можем рассчитать, где находятся эти вещи и куда собираются.
В квантовой механике ученые этого не умеют. Они знают, где частица или куда собирается, но не первое и второе одновременно. Классическая траектория с ее хорошо определенными свойствами частицы заменяется волной квантовой вероятностью, которая охватывает множество одновременных возможностей. Но если описывать квантовые реалии, используя квантовые траектории, можно восстановить некоторые из старых классических понятий, говорит Пуарье. Согласно этой картинке, у квантовых частиц имеются хорошо определенные атрибуты, и они след
