Множинність світів Г'ю Еверетта

Г'ю Еверетт III (Hugh Everett III) — блискучий математик, фізик-теоретик, займався квантовою механікою і не визнавав жодних авторитетів у цій галузі. У той час, коли світ стояв на порозі ядерної катастрофи, він увів у фізику нову концепцію реальності, що вплинула на хід світової історії. Для любителів наукової фантастики він став національним героєм як людина, що створила квантову теорію паралельних світів.

А для своїх дітей він був байдужим батьком із незмінною сигаретою в руці, якого вони згодом почали сприймати як своєрідний предмет меблів. Зрештою, він був алкоголіком, який рано пішов із життя. Принаймні саме такою є його історія в межах нашого Всесвіту. Якщо теорія множинності світів, розроблена Евереттом у середині 1950-х рр., правильна, його життя зазнало багатьох перетворень у незліченній кількості світів, що розгалужуються.

Революційні ідеї Еверетта дозволили подолати теоретичний глухий кут у тлумаченні поняття вимірювання в квантовій механіці. Хоча ці ідеї й сьогодні не є загальновизнаними, методи їх розроблення дозволили передбачити поняття квантової декогерентності — сучасного пояснення того факту, що ймовірнісний характер квантової механіки реалізується однозначно в конкретному світі нашого досвіду.

Праця Еверетта добре відома у фізичних і філософських колах, але про історію його відкриття та решту його життя відомо небагато. Архівні дослідження російського історика Євгенія Шиховцева, мої власні розвідки, а також інтерв’ю з колегами та друзями Еверетта, які знали його в останні роки життя, і бесіди з його сином — рок-музикантом розкрили історію блискучого інтелекту, згубленого власними страхами.

Нісенітниці

Усе почалося одного вечора 1954 р. «Після кількох ковтків хересу», — як згадував Еверетт двадцятьма роками пізніше. Він зі своїм однокурсником Чарльзом Мізнером (Charles Misner) та Оге Петерсеном (Aage Petersen) (помічником Нільса Бора на той час) обговорювали «нісенітниці у висновках квантової механіки». Того вечора в Еверетта й народилася основна ідея теорії множинності світів. Його головною метою було пояснити, що саме в реальному світі представляють рівняння квантової механіки. А зробити це він хотів виключно за допомогою математичного апарату квантової теорії, без використання додаткових фізичних гіпотез.

Таким чином, молодий учений поставив перед фізичною спільнотою того часу завдання переглянути основоположні уявлення про те, що являє собою фізична реальність. Прагнучи досягти своєї мети, Еверетт сміливо взявся за добре відому проблему вимірювання в квантовій механіці, яка непокоїла фізиків із 1920-х рр.

Суть питання полягає в суперечності між тим, як елементарні частинки (наприклад, електрони та фотони) взаємодіють на квантовому, мікроскопічному рівні реальності, і поведінкою цих частинок під час вимірювання їхніх характеристик у звичайному макросвіті, на класичному рівні.

У квантовому світі елементарна частинка або їхній ансамбль можуть існувати як суперпозиція кількох можливих станів. Наприклад, електрон характеризуватиметься суперпозицією різних положень у просторі, швидкостей та орієнтацій спіну. Однак щоразу, коли дослідник точно вимірює якусь із цих характеристик, він отримує точний результат, що відповідає лише одному елементу суперпозиції, а не поєднанню їх усіх.

При цьому спостерігати суперпозиції макроскопічних об’єктів цілком неможливо. Проблема вимірювання зводиться до двох запитань: як і чому з безлічі альтернатив у квантовому світі суперпозицій утворюється однозначний світ нашого досвіду?

Для представлення квантових станів фізики використовують математичні об’єкти, які називають хвильовими функціями і які можна розглядати як перелік усіх можливих конфігурацій квантової системи. Числове значення хвильової функції є ймовірністю того, що в процесі спостереження система перебуватиме в одному зі своїх можливих станів. Хвильова функція трактує всі елементи суперпозиції як однаково реальні, хоча й не однаково ймовірні з нашого погляду.

Рівняння Шредінгера описує зміну хвильової функції з часом, а передбачувана цим рівнянням еволюція є гладкою та детермінованою (тобто позбавленою випадковостей). Але ця витончена математична модель перебуває в позірній суперечності з тим, що бачить людина, коли спостерігає квантову систему.

У момент проведення експерименту хвильова функція, що описує суперпозицію всіх можливих станів системи, колапсує в один конкретний стан, порушуючи тим самим свою гладку еволюцію та утворюючи розрив. Таким чином, дані певного одиничного експерименту цілком виключають із класичної реальності всі інші можливі стани системи.

Слід зазначити, що вся інформація про хвильову функцію електрона, доступна до проведення досліду, не може дати відповіді на запитання: «Яка саме конфігурація спостерігатиметься в процесі експерименту?». З погляду математики, таке порушення гладкості хвильової функції не випливає з властивостей рівняння Шредінгера. Для повного опису системи доводиться незалежно постулювати наявність колапсу як додаткової умови, яка може й порушити початкове рівняння Шредінгера. Для розв’язання проблеми вимірювання багато хто із засновників квантової механіки, передусім Нільс Бор (Nils Bohr), Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) і Джон фон Нейман (John von Neumann), прийняли інтерпретацію квантової механіки, відому під назвою копенгагенської.

Ця модель реальності постулює, що під час вимірювань механіка квантового світу зводиться до класично спостережуваних явищ, що дозволяє зрозуміти їхній зміст лише в уявленнях макросвіту, але не навпаки.

Копенгагенська інтерпретація віддає перевагу зовнішньому спостерігачеві, розміщуючи його в класичному світі, відмінному від квантового світу спостережуваного об’єкта. Хоча вчені, які використовують цю інтерпретацію, не можуть пояснити природу межі між квантовим і класичним світами, вони з великим успіхом застосовують квантову механіку для розв’язання технічних задач.

Цілі покоління фізиків учили, що рівняння квантової механіки діють лише в одній частині реального світу — у мікросвіті, але втрачають силу в іншій його частині, макроскопічній.

Універсальна хвильова функція

Підхід Еверетта до проблеми вимірювання з погляду об’єднання макроскопічного та квантового світів різко суперечив копенгагенській інтерпретації. Еверетт зробив спостерігача невід’ємною частиною спостережуваної системи, запровадивши універсальну хвильову функцію, що пов’язує спостерігача (точніше, спостерігача й вимірювальний прилад) та об’єкти спостереження в єдину квантову систему. Він дав квантовомеханічний опис макроскопічного світу й вважав, що макрооб’єкти також перебувають у стані квантової суперпозиції. Відійшовши від поглядів Бора та Гейзенберга, він зумів обійтися без додавання нових постулатів про колапс хвильової функції.

Радикально нова ідея Еверетта полягала в тому, щоб поставити запитання: «А що, коли процес вимірювання не перериває еволюції хвильової функції? Що, коли рівняння Шредінгера застосовне завжди й до всього — і до об’єктів спостереження, і до спостерігачів? Що, коли жоден з елементів суперпозиції ніколи не зникає з реальності? Який вигляд матиме для нас такий світ?»

Еверетт побачив, що за таких припущень хвильова функція спостерігача розгалужується за кожної його взаємодії з об’єктом. Універсальна хвильова функція матиме по одній гілці для кожної можливої реалізації експерименту, а кожна з них матиме свою копію спостерігача, який сприймає тільки один-єдиний результат вимірювань. Згідно з фундаментальними математичними властивостями рівняння Шредінгера, гілки, що одного разу сформувалися, більше не впливають одна на одну. Таким чином, кожна з них приходить до свого майбутнього, відмінного від майбутнього інших гілок.

Розгляньмо спостерігача, який вивчає частинку, що є суперпозицією двох можливих станів (наприклад, електрон, який перебуває в одному з двох положень — А або В). Згідно з першою гілкою, спостерігач сприймає електрон як такий, що перебуває в положенні А. У тотожній альтернативній гілці копія цього спостерігача сприймає той самий електрон як такий, що перебуває в положенні В.

Кожна копія спостерігача усвідомлює реалізацію лише однієї фізичної можливості з усього набору, хоча в повній реальності існують усі ці альтернативи. Щоб пояснити, як ми сприйматимемо таку реальність, необхідно розглядати спостерігача й об’єкт спостереження як єдине ціле. Однак процес розгалуження хвильової функції відбувається незалежно від присутності людини. У зв’язку з цим треба визнати, що хвильова функція розгалужується за кожної взаємодії двох фізичних систем.

Сучасне уявлення про те, як гілки хвильової функції, що розділилися, стають незалежними та постають як класичні реальності, до яких ми звикли, називається теорією квантової декогерентності. Вона стала визнаною частиною сучасної квантової теорії, хоча на сьогодні не всі погоджуються з інтерпретацією Еверетта, згідно з якою всі гілки хвильової функції представляють фактично наявні реальності.

Еверетт був не першим фізиком, який критикував копенгагенський постулат про колапс хвильової функції як незадовільний. Але він був першопрохідцем, який вивів математично несуперечливу теорію універсальної хвильової функції з рівнянь квантової механіки. Важливо зазначити, що існування множини альтернативних світів безпосередньо випливало з його теорії, а не постулювалося. У примітці до своєї дисертації Еверетт написав: «З погляду теорії всі елементи суперпозиції (усі “гілки”) “реальні” і жодна з них не більш “реальна”, ніж решта». Початковий варіант його дисертації, що містив усі ці ідеї, п’ять років тому в ході архівних пошуків виявив історик науки Олівал Фрейре-молодший (Olival Freire, Jr.), який працює у Федеральному університеті в м. Салвадор (Баїя) у Бразилії. Навесні 1956 р. науковий керівник Еверетта в Принстонському університеті Джон Арчибальд Вілер (John Archibald Wheeler) взяв дисертацію свого учня до Копенгагена, щоб переконати Королівську Данську академію наук і літератури опублікувати її. Він написав Еверетту, що мав «три тривалі запеклі дискусії» з Бором і Петерсеном. Також Вілер показав роботу Еверетта ще кільком ученим з Інституту теоретичної фізики ім. Нільса Бора, серед яких був і Александр Штерн (Alexander Stern). Розщеплення

У листі до Еверетта Вілер повідомляв: «Ваш витончений формалізм у визначенні хвильової функції залишається, без сумніву, непорушним, але всі ми відчуваємо, що головну проблему становлять слова, якими мають визначатися поняття цього формалізму». Зокрема, Вілера турбувало використання Евереттом слова «розщеплення» стосовно людей і гарматних ядер. У його листі відчувається дискомфорт прихильників копенгагенської інтерпретації щодо роботи Еверетта. Штерн відкинув теорію Еверетта як «теологічну», а Вілер не був схильний сперечатися з Бором.

У довгому ввічливому листі до Штерна він пояснював і виправдовував теорію Еверетта як узагальнення, а не спростування загальноприйнятого тлумачення квантової механіки: «Гадаю, я маю право сказати, що цей прекрасний і дуже здібний молодий чоловік поступово усвідомив, що цей підхід до проблеми вимірювань є правильним і несуперечливим, попри те що деякі сліди попереднього неоднозначного й сумнівного підходу збереглися. Тому, щоб уникнути подальшого непорозуміння, дозвольте мені сказати, що дисертація Еверетта не ставить під сумнів наявний підхід до проблеми вимірювань, а узагальнює його».

Еверетт не міг погодитися з таким трактуванням його поглядів на копенгагенську інтерпретацію. Роком пізніше, відповідаючи на критику з боку редактора журналу Reviews of Modern Physics Брайса ДеВітта (Bryce W. DeWitt), він писав: «Копенгагенська інтерпретація безнадійно неповна, оскільки вона апріорі спирається на класичну фізику... Крім того, зі своєю концепцією «реальності» макроскопічного світу та відмовою в такій реальності світу мікрокосмосу вона жахлива у філософському відношенні».

Поки Вілер був у Європі, захищаючи свою позицію, Еверетт, щоб уникнути служби в армії, вирішив погодитися на дослідницьку роботу в Пентагоні. Він поїхав до Вашингтона й більше ніколи не повертався до теоретичної фізики. Однак протягом наступного року він на відстані спілкувався з Вілером, неохоче скоротивши свою дисертацію вчетверо.

У квітні 1957 р. дисертаційна рада схвалила останній варіант — без «розщеплень». Трьома місяцями пізніше журнал Reviews of Modern Physics опублікував його під заголовком «Про основи квантової механіки». У тому ж номері було опубліковано позитивний відгук Вілера на роботу свого аспіранта. Після публікації роботу одразу ж забули. Вілер поступово почав віддалятися від усього, що було пов’язане з теорією Еверетта, але він усе ще продовжував спілкуватися з ним і безуспішно спонукав його продовжувати роботу в галузі квантової механіки.

У 2007 р. в інтерв’ю Вілер, якому тоді було 95 років, сказав, що Еверетт «був розчарований і, вочевидь, дуже гірко, відсутністю реакції на його теорію. Я б дуже хотів продовжити спілкування з ним. Поставлені ним питання дуже важливі». Стратегії ядерної війни Принстонський університет присвоїв Еверетту докторський ступінь через рік після початку роботи над першим проєктом Пентагону: розрахунком можливого коефіцієнта смертності від радіоактивних опадів у разі ядерної війни. Дуже скоро Еверетт очолив математичний відділ майже невідомої, але дуже впливової Групи оцінювання систем озброєнь (Weapons Systems Evaluation Group, WSEG) Пентагону.

Еверетт консультував високопосадовців адміністрацій Ейзенгауера і Кеннеді щодо найкращих методів вибору цілей для водневих бомб і структурування ядерної тріади — бомбардувальників, підводних човнів і ракет наземного базування — для оптимізації удару в ядерній війні.

У 1960 р. Еверетт брав участь у складанні аналітичного звіту № 50 WSEG, який залишається секретним донині. За словами друга й колеги Еверетта Джорджа П’ю (George E. Pugh), а також за даними істориків, цей звіт удосконалював і просував військові стратегії, які залишалися актуальними протягом десятиліть, зокрема концепцію гарантованого взаємного знищення. WSEG надавала головним організаторам ядерної військової програми настільки загрозливу інформацію про глобальні наслідки радіоактивних опадів, що багато хто переконався в доцільності переважного застосування ядерних сил як засобу стримування.

Це рішення було ухвалено всупереч думці багатьох впливових осіб, які просували ідеї превентивного нападу на Радянський Союз, Китай та інші країни соціалістичного табору. У цей же період розігрався останній етап боротьби навколо теорії Еверетта. Навесні 1959 р. Бор погодився зустрітися з Евереттом у Копенгагені. Бор не змінив своєї позиції, а Еверетт не повернувся до досліджень із квантової механіки. Однак поїздка все ж принесла плоди: одного разу, потягуючи пиво в копенгагенському готелі Osterport, Еверетт записав на бланку готелю важливе вдосконалення іншого математичного прийому, узагальненого методу множників Лагранжа, яке отримало назву «алгоритм Еверетта». Він спрощує пошук оптимальних рішень складних логістичних задач, починаючи від розгортання ядерних озброєнь і своєчасного розроблення планів промислового виробництва та закінчуючи оптимізацією маршрутів для шкільних автобусів. А в 1964 р. Еверетт, П’ю та кілька їхніх колег по WSEG заснували приватну оборонну компанію Lambda Corporation. Серед іншого вона займалася розробленням математичних моделей протиракетних систем і комп’ютерних ігор, що імітують ядерні війни. За словами П’ю, військові ще багато років користувалися цими програмами. Еверетт з ентузіазмом розробляв застосування теореми Байєса, математичного методу співвіднесення ймовірностей майбутніх подій із досвідом минулого.

У 1971 р. він створив прототип баєсівської машини — комп’ютерної програми, що вивчає досвід минулого та спрощує ухвалення рішень, виводячи ймовірні варіанти розвитку подій майже так само, як це робить людський мозок. У 1973 р. Еверетт залишив Lambda Corporation і разом зі своїм колегою Дональдом Рейслером (Donald Reisler) заснував компанію DBS з оброблення інформації. Хоча фірма приймала замовлення від військових відомств, основною її спеціалізацією був аналіз соціально-економічних наслідків позитивних урядових програм.

Рейслер згадує, що, коли вони вперше зустрілися, Еверетт сором’язливо запитав, чи читав він його статтю 1957 р. «Я на хвилину замислився, а потім вигукнув: “Боже мій, ви — той самий Еверетт, той божевільний, що написав цю божевільну статтю! Я прочитав її аспірантом, похихотів і відкинув”». Незабаром вони стали близькими друзями, але домовилися ніколи більше не згадувати про множинність світів. Обід із трьома «Мартіні» Попри всі успіхи, Еверетт переживав тоді не найкращий період у своєму житті. За ним закріпилася репутація людини, яка багато п’є, а друзі казали, що ця пристрасть із часом посилилася. За словами Рейслера, його партнер за обідом випивав по три «Мартіні», потім спав в офісі, з незрозумілих причин примудряючись зберігати продуктивність у роботі.

Однак гедонізм Еверетта не виражався в легкому, веселому ставленні до життя. «Він не був приємною людиною, — каже Рейслер. — Він привносив у вивчення речей холодну жорстоку логіку. Поняття громадянських прав не мало для нього значення». Колишній колега Еверетта по WSEG Джон Баррі (John Y. Barry) сумнівається і в його порядності. У середині 1970-х рр. Баррі переконав своїх роботодавців із компанії J.P. Morgan найняти Еверетта для розроблення баєсівського методу прогнозування подій на фондових біржах. Висловлювалася думка, що Еверетт упорався з поставленим завданням, але відмовився передати результати своєї роботи компанії, яка його найняла. За словами Баррі, він був блискучим новатором, але ненадійною людиною. Еверетта вважали егоїстом. «Г’ю любив обстоювати певний крайній соліпсизм, — каже колишня працівниця компанії DBS Ілейн Цзян (Elaine Tsiang). — Хоча він намагався відокремити свою теорію множини світів від будь-яких теорій розуму і свідомості, ми всі, безсумнівно, завдячували своїм існуванням світу, який він створив сам».

І він не хотів помічати своїх дітей, Елізабет і Марка. Поки Еверетт розвивав свою підприємницьку кар’єру, світ фізики почав уважно придивлятися до його колись відкинутої теорії.ДеВітт змінив свою думку на протилежну й став її найпалкішим прихильником. У 1967 р. він опублікував статтю, у якій запровадив рівняння Вілера — ДеВітта — універсальну хвильову функцію, що задовольняє квантову теорію гравітації (хвильову функцію Всесвіту). ДеВітт зазначив, що саме Еверетт продемонстрував необхідність такого підходу. Пізніше, редагуючи разом зі своїм аспірантом Нілом Гремом збірку статей The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics («Багатосвітова інтерпретація квантової механіки»), ДеВітт вирішив включити до неї і повний варіант дисертації Еверетта. Словосполучення «множинність світів» міцно закріпилося не лише в науковому світі, а й серед любителів фантастики.

Проте не всі погоджувалися з тим, що від копенгагенської інтерпретації потрібно відмовитися. Фізик Девід Мермін (N. David Mermin) із Корнелльського університету наголошував, що в інтерпретації Еверетта хвильова функція є частиною об’єктивно реального світу, а він бачить у ній лише математичний інструмент. «Хвильова функція — це творіння людини, — каже Мермін. — Її призначення — дати нам змогу осмислювати результати наших макроскопічних спостережень. Моя точка зору прямо протилежна багатосвітовій інтерпретації. Квантова механіка — це засіб, що дає нам змогу зробити наші спостереження зрозумілими, а казати, що ми перебуваємо всередині квантової механіки і що квантова механіка має бути застосовною до нашого сприйняття, — нелогічно».

Однак багато фізиків вважають, що теорію Еверетта слід сприймати серйозно. «Коли наприкінці 1970-х рр. я почув про інтерпретацію Еверетта, я подумав, що це марення божевільного, — каже фізик-теоретик Стівен Шенкер зі Стенфордського університету. — Сьогодні більшість відомих мені людей, які займаються теорією струн і квантовою космологією, мислять у руслі цієї інтерпретації. А у зв’язку з недавніми успіхами в галузі квантових обчислень ці питання перестають бути суто академічними». Один із піонерів теорії декогеренції Войцех Зурек (Wojciech Zurek) із Національної лабораторії в Лос-Аламосі зазначає: «Досягнення Еверетта полягає у твердженні, що квантова теорія має бути універсальною, що не повинно бути поділу Всесвіту на щось апріорі класичне і щось апріорі квантове.

Він дав нам змогу використовувати квантову теорію для опису вимірювань загалом». Фахівець із теорії струн Хуан Малдасена (Juan Maldacena) з Інституту передових досліджень у Принстоні так висловлює свою позицію: «Коли я думаю про теорію Еверетта з точки зору квантової механіки, вона видається мені настільки розумною, що я готовий у неї повірити. У повсякденному житті я в неї не вірю».

У 1977 р. ДеВітт і Вілер запросили Еверетта виступити з доповіддю про свою інтерпретацію в Техаському університеті в Остіні. Треба сказати, що Еверетт терпіти не міг публічних виступів, на доповіді був у пом’ятому чорному костюмі й увесь час курив. Був там і Девід Дойч (David Deutsch), засновник теорії квантових обчислень (поштовхом до створення якої і послужила теорія Еверетта), який нині працює в Оксфордському університеті. «Він випередив свій час, — казав Дойч, підбиваючи підсумок виступу Еверетта. — Своєю позицією він демонстрував нерозуміння людей, які заперечують об’єктивну реальність: адже зречення первісної мети науки — пояснення природи світу — завдало величезної шкоди розвитку фізики та філософії. Ми безнадійно загрузли у формалізмі й сприймали перебіг подій як прогрес, який нічого не пояснює, а вакуум був заповнений містикою, вірою та всілякими нісенітницями. Заслуга Еверетта в тому, що він протистояв усьому цьому». Після поїздки до Техасу Вілер спробував залучити Еверетта до Інституту теоретичної фізики в Санта-Барбарі, але зрештою з цього так нічого й не вийшло. Загальність сприйняття Еверетт помер 19 липня 1982 р. у своєму ліжку. Йому був лише 51 рік. Безживне тіло батька знайшов дев’ятнадцятирічний Марк і, відчувши холод мертвого тіла, зрозумів, що ніколи раніше не торкався свого батька. «Я не знав, як поставитися до того, що мій батько помер, — сказав він мені. — Ми були цілком чужими одне одному». Невдовзі Марк, переїхавши до Лос-Анджелеса, став успішним автором пісень і лідером популярного рок-гурту «Вугри». Багато його пісень відображають смуток, який він переживав у дитинстві, живучи з пригніченою, питущою та емоційно відчуженою людиною. І лише через роки син дізнався про кар’єрні та наукові досягнення свого батька.

Першу з багатьох спроб накласти на себе руки сестра Марка Елізабет зробила в червні 1982 р. Брат встиг вчасно доправити її до лікарні, а повернувшись увечері додому, розповів про це батькові. Той лише «підвів очі від газети і сказав: “Я не знав, що їй так тужливо”». У 1996 р. вона прийняла смертельну дозу снодійного.У своїй передсмертній записці вона написала, що хоче зустрітися з батьком в іншому світі.

У пісні 2005 р. Things the Grandchildren Should Know («Що мають знати онуки») Марк писав: «Я ніколи по-справжньому не міг зрозуміти, що мало подобатися йому, замкненому у власному світі». Його егоїстичний батько мав розуміти нерозв’язність цієї дилеми. У початковому варіанті своєї дисертації Еверетт написав: «Якщо ми визнаємо, що будь-яка фізична теорія є лише моделлю світу, який ми сприймаємо, то повинні відмовитися від надії знайти щось схоже на істинну теорію <...> просто тому, що ніколи не зможемо досягти загальності сприйняття».

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.