Многомировая интерпретация в картинках или «Опять этот кот?»

В статье я использовал:
отрывки из видео: www.youtube.com/watch?v=kTXTPe3wahc
Книгу «Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение» – Митио Каку
Книгу «Начало бесконечности» – Дэвид Дойч

Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства вселенной. Многомировая интерпретация является одной ведущих многомировых гипотез в физике и философии, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.

В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью.

В квантовой физике все не так. Тут систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией.

Но проблема в том, что квантовая механика не позволяет увидеть волновую функцию частицы.


Когда мы пытаемся измерить волновую функцию частицы, то она покажет нам один из вариантов, а не весь возможный градиент.

Многие, кто изучают квантовую механику, привыкли к тому, что существует два свода правил:

1. Когда мы не смотрим, то волновая функция описывается уравнением Шредингера
2. А когда мы пытаемся ее измерить, то эта же функция мгновенно коллапсирует

Самому Шредингеру эта идея не нравилась, что они и обсуждали с Эйнштейном в их переписке. И эксперимент с котом Шредингера появился там же.

Описание эксперимента

Идея эксперимента была в том, чтобы связать незаметный квантовый эффект с чем-то осязаемым, например с котом.

Мы засовываем кота в коробку. В коробке находится источник радиации, детектор распада радиоактивных частиц и газ, который выпустится, если детектор зафиксирует распад частицы.

Теория говорит, что частица имеет вероятность: распасться ей или нет. И только измерения состояния этой частицы даст нам ответ на то, распалась она или нет. Пока измерения с нашей стороны не произошло, то мы ничего не знаем о состоянии частицы.

Мы можем узнать результат только тогда, когда откроем коробку и посмотрим, умер наш кот или нет — то есть произведем измерения.

До момента измерения вся система находится в запутанном состоянии.

Хороший исход (для кота)

Атом не распадается, детектор не фиксирует распад, колба не разбивается, кот бодрствует

Плохой исход (для кота)

Атом распадается, детектор фиксирует распад, колба разбивается, кот мертв

Пока коробка закрыта, для внешнего наблюдателя кот находится в суперпозиции

$$

В этом эксперименте состояние кота непосредственно зависит от состояния атома — то есть атом и кот запутаны между собой

Но, согласно квантовой механике, атому не обязательно находиться в каком то определенном состоянии. Большую часть времени он находится в суперпозиции.
Т.е. распавшимся и нераспавшимся одновременно

Далее, суперпозиция атома запутывается с состоянием детектора и, как следствие, кота.

Получается, что через какое то время волновая функция всего содержимого коробки оказывается в суперпозиции.

• В одном состоянии атом не распался, пробирка с газом цела, а кот жив
• В другом состоянии атом распался, пробирка разбилась и кот умер

Далее, если мы, как наблюдатель, откроем коробку и заглянем внутрь, то сколлапсируем волновую функцию и увидим кота живым или мертвым. Да?

Не совсем

Классическая (копенгагенская) интерпретация говорит о том, что процесс наблюдения — это процесс коллапса волновой функции в одно из состояний. Коллапс приводит к тому, что волновая функция продолжает эволюцию только как одна часть изначальной волновой функции (картинка 1 и 2 из начала статьи). Объект больше не находится в состоянии суперпозиции и, в итоге, принимает одно из своих возможных значений.

Как следствие — всякие эффекты квантовой запутанности пропадают. Эта теория не объясняет, как происходит коллапс волновой функции, равно как и почему одни взаимодействия вызывают коллапс, а другие — нет.

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией, является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Одна из самых проработанных интерпретаций на данный момент — многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация

Есть такой термин как квантовая запутанность. Это когда два электрона, летящих к друг другу, сталкиваются и запутываются.

И стоит нам измерить импульс одного электрона, как мы тут же узнаем импульс другого.

Измерение одного электрона заставляет моментально коллапсировать волновую функцию другого электрона, пусть даже между ними расстояние в несколько миллионов световых лет

После взаимодействия друг с другом, у электронов больше нет волновых функций, их состояние теперь можно описать одной общей функцией.

Так можно продолжать до бесконечности, и в итоге мы придем к тому, что существует лишь одна волновая функция, которая описывает состояние всей вселенной вселенной

Немного деталей

В копенгагенской интерпретации считается, что когда квантовую систему наблюдают, то она описывается одним сводом правил, а когда не наблюдают, то другим сводом правил.

Согласно этому допущению, когда Шредингер открывает коробку, он коллапсирует кота в состояние либо «жив», либо «мертв».

$$

Если убрать это допущение из квантовой теории, то получится, что суперпозиция распавшегося и нераспавшегося атома запутывается с детектором и с самим котом.

Не стоит забывать, что люди тоже состоят из атомов. И если система запутывается с котом, то она запутывается и с нами.

Значит, согласно ММИ, Шредингер(Ш) оказывается в запутанном состоянии:

$\$\$display\$\$|кот,\; Ш\; >=\; \backslash frac\{1\}\{2\}(|жив,\; видит\; "жив">\; +\; |мертв,\; видит\; "мертв",>)\$\$display\$\$$

К этому уравнению нужно добавить окружение (окр):

$\$\$display\$\$|кот,\; Ш>|окр>=\; \backslash frac\{1\}\{2\}(|жив,\; видит\; "жив">\; +\; |мертв,\; видит\; "мертв">)|существует>\$\$display\$\$$

Окружение в результате процесса декогеренции запутывается с ними обоими:

$\$inline\$|кот,\; Ш,\; окр>\; =\; \backslash frac\{1\}\{2\}(|жив,\; видит\; "жив",\; окр\; "жив">\; +\$inline\$$
$\$inline\$+\; |мертв,\; видит\; "мертв",\; окр\; "мертв">)|существует>\$inline\$$

В таком варианте у Шредингера уже нет возможности «отменить» измерение или сделать что-то, чтобы «распутать» два состояния. Два мира разделились: в одном Шредингер нашел мертвого кота, в другом — живого. При этом никакого коллапса не произошло, все это — по-прежнему унитарная эволюция большой волновой функции.

Выходит, когда мы открываем коробку, то никакие изменения и коллапсирующие функции не важны, мы просто запутываемся с системой внутри коробки.

Это значит, что мы видим как систему с живым котом, так и с мертвым.
Следовательно мы перед коробкой с живым котом, и мы перед коробкой с мертвым находимся в разных мирах.

Ну, фактически, не мы, а наша копия, которая появилась при распаде вселенной на две реальности, которые теперь никогда не пересекутся.

В итоге, вселенная разделяется и возникают две, практически идентичные реальности

Это и есть главная идея многомировой интерпретации. Единственный ее постулат — вся Вселенная описывается одной волновой функцией. Нет «классического» мира, нет наблюдателей, нет коллапса — все это является унитарной эволюцией одной волновой функции под действием уравнения Шредингера. То, что мы наблюдаем как коллапс — исключительно процесс декогеренции, наша невозможность «развязать» объект и окружение, с которым он запутался.

Разные «миры» при этом возникают каждый раз, когда происходит «коллапс» — взаимодействие системы с окружением. При этом один мир делится на несколько, в соответствии с ветвями волновой функции, и эти миры больше не взаимодействуют.

Итого, все это лишь частичное решение, так как сама космическая волновая функция, описывающая всю Вселенную, не имеет определенного состояния, а состоит из всех возможных вселенных. Таким образом, проблема неопределенности, впервые открытая Гейзенбергом, теперь распространена на всю Вселенную.

Наименьшая единица, которой мы можем оперировать в этих теориях, — сама Вселенная, а наименьшая единица, которую можно квантовать, — пространство всех возможных вселенных, в которое входят и мертвые, и живые коты. Таким образом, в одной вселенной кот действительно мертв, зато в другой — жив. Однако обе вселенные находятся в одном и том же вместилище — волновой функции Вселенной.