Рождение параллельных вселенных в результате флуктуаций квантовой пены
В некоторых интерпретациях квантовой механики вся наша Вселенная описывается одной универсальной волновой функцией, которая постоянно расщепляется и множится, порождая новые реальности для всех возможных квантовых взаимодействий. Утверждение довольно смелое. Как же мы к нему пришли?
В самом начале квантовой механики у учёных родилось понимание того, что у материи есть волновые свойства. Первым это предположил Луи Де Бройль, утверждавший, что с каждой субатомной частицей ассоциируется волна – как и у света, который может вести себя и как частицы, и как волны.
Другие физики вскоре подтвердили эту радикальную для своего времени идею, в частности в экспериментах, в которых электроны рассеивались в тонкой фольге перед тем, как попасть в мишень. Рассеивание электронов больше походило на волны, чем на поведение частиц. Тогда возник вопрос: а какова по сути волна материи? Как она выглядит?
Ранние теоретики квантовой физики, к примеру, Эрвин Шрёдингер, считали, что сами частицы размазаны в пространстве в виде волн. Он разработал своё знаменитое уравнение для описания поведения таких волн – и это уравнение используют до сих пор. Однако идея Шрёдингера не выдержала дальнейших экспериментов. Даже если электрон вёл себя как волна в полёте, при достижении мишени он соударялся с ней как единая компактная частица – то есть, по пространству он не размазывался.
Начала появляться альтернативная интерпретация квантовой механики. Сегодня мы называем её копенгагенской интерпретацией, и это наиболее популярная интерпретация среди физиков. В данной модели волновая функция – так называют волновое свойство материи – на самом деле не существует. Это просто удобный математический способ описания облака квантово-механических вероятностей того, где мы найдём субатомную частицу в следующий раз, когда отправимся её искать.
Цепочка запутанностей
Однако у копенгагенской интерпретации было выявлено несколько проблем. Как указывал сам Шрёдингер, непонятно, каким образом волновая функция переходит от состояния облака вероятностей до её измерения к состоянию несуществования в момент измерения.
Возможно, волновая функция – понятие более осмысленное. Возможно, она настолько же реальна, как и сами частицы. Эту идею первым предложил де Бройль, однако в итоге он тоже перешёл в лагерь копенгагенцев. Позднее другие физики, в частности, Хью Эверетт, также рассматривали эту проблему и приходили к тем же решениям.
Превращение волновой функции в реальную штуку устраняет проблему измерения, существующую в копенгагенской интерпретации – измерение перестаёт быть каким-то сверхъестественным процессом, уничтожающим волновую функцию. То, что мы называем «измерением», превращается просто в длинную последовательность взаимодействия квантовых частиц и волновых функций с другими квантовыми частицами и волновыми функциями.
Если вы соберёте детектор частиц и начнёте стрелять в него электронами, то на субатомном уровне электрону совершенно неизвестно, что его измеряют. Он просто сталкивается с атомами экрана, отправляющими электрический сигнал (состоящий из других электронов) по проводу, взаимодействующему с дисплеем, излучающим фотоны, сталкивающиеся с молекулами в ваших глазах – и так далее.
В данном процессе у каждой частицы просто есть своя собственная волновая функция. Все частицы и все волновые функции взаимодействуют друг с другом как обычно, а мы можем использовать инструменты квантовой механики (к примеру, уравнение Шрёдингера), предсказывая то, как они себя поведут.
Кот и уравнение Шрёдингера
Универсальная волновая функция
Однако из-за волновой функции у квантовых частиц есть очень интересное свойство. Две частицы во время взаимодействия не просто сталкиваются друг с другом – на короткий промежуток времени их волновые функции пересекаются. И в этот момент у нас нет двух отдельных волновых функций – вместо них появляется единственная волновая функция, описывающая обе частицы одновременно.
Расходясь по своим отдельным путям, частицы продолжают сохранять общую волновую функцию. Физики называют этот процесс «квантовым запутыванием» — то, что Альберт Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием».
Пройдя по всем шагам измерения, в итоге мы приходим к последовательности запутанностей, возникших из наложившихся друг на друга волновых частиц. Электроны запутываются с атомами экрана, которые запутываются с электронами провода, и так далее. Даже частицы нашего мозга запутываются с Землёй благодаря всему тому свету, что приходит и отражается от нашей планеты, и все частицы Вселенной запутываются со всеми остальными.
С каждым новым запутыванием появляется единая волновая функция, описывающая все частицы разом. Очевидным выводом из процесса перевода волновой функции в реальность будет то, что существует единая волновая функция, описывающая всю Вселенную.
Это – т.н. «многомировая» интерпретация квантовой механики. Называют её так из-за ответа на вопрос о том, что происходит в процессе наблюдения. В квантовой механике никогда точно не известно, что сделает частица – иногда она может пойти вверх, иногда вниз, и так далее. В данной интерпретации каждый раз, когда квантовая частица взаимодействует с другой квантовой частицей, универсальная волновая функция расщепляется на несколько секций, и появляются разные вселенные, каждая из которых воплощает один из нескольких возможных результатов.
Так получается мультивселенная. Через простое запутывание квантовых частиц друг с другом мы получаем множество копий вселенной, постоянно возникающих снова и снова. Все они идентичны за исключением крохотной разницы в каком-то из случайных квантовых процессов. А значит, существует множество копий вас, читающих сейчас эту статью, и все они одинаковые, за исключением небольшой квантовой детали.
У этой интерпретации тоже есть свои проблемы – к примеру, как именно организовано расщепление? Однако это радикальный способ взглянуть на Вселенную и продемонстрировать, насколько могущественной может быть квантовая механика. То, что начиналось, как попытка понять субатомные частицы, может в результате стать правилом работы всего космоса.
Комментарии (30)
green_nebula
03.11.2022 23:03+1Как многомировая интерпретация объясняет дифракцию электрона на двух щелях?
Для тех точек экрана, куда электрону попасть более вероятно, создается большее количество параллельных вселенных, а для темных полос экрана вселенные не создаются?
AYamangulov
04.11.2022 11:16+1Не обязательно. Многомировая интерпретация Эверетта предполагает, что Вселенная раздваивается глобально и создается две новых вселенных с этим различием. Но это приводит к тем же проблемам, что и копенгагенская интерпретация - мгновенное разделение Вселенной на две на бесконечном расстоянии от локального события, вызвавшего это разделение, ничем не отличается от мгновенной редукции волновой функции, как это считается в копенгагенской интерпретации - мгновенное распространение воздействия и там, и там абсурдно. Гораздо проще локализовать причину и следствие и предположить, что в месте события происходит разделение временного потока на два альтернативных и одновременно существующих, затем происходит взаимодействие двух измененных локализованных временных потоков с оставшейся неизменной частью Вселенной, ПОСТЕПЕННО с учетом скорости распространения вовлекая в разделение волновую функцию Вселенной в целом - таким образом два временных потока узко локализованы и только постепенно расширяются пространственно (в том числе могут и затухнуть на расстоянии), и Вселенная в целом имеет разное количество актуализированных метрик пространства-времени в каждой локальной точке. Это трудно понять большинству современных исследователей, не привыкших работать с многомерностью времени, но тем не менее, это намного более разумное и математически обоснованное предположение, нежели мгновенные разделения Вселенной "по всей длине" или мгновенная редукция волновой функции )))
caballero
05.11.2022 01:58-1Никак не обясният. Если вселенная рсщепилась то откуда возмется интерференционный член и соответственно с какого перепугу жоектрон отклонится от прчмой.
А еще она не обтчсняет напрмер бета распад если все детерминировано то кто решает в какой момент нейтрону распастся
mayorovp
05.11.2022 09:33Так расщепление-то происходит не в момент пролёта через щель, а при взаимодействии волны с экраном.
caballero
05.11.2022 17:44-2разве? вроде как речь о том что в разные щели электрон идет в разных вселенных В чем смысл расщепления если измерение уже произошло? А если щелей не две а четыре - будет четыре вселенные? но электрон пришел в эту же точку с той же вероятностью. в чем тогда разница?
А если щели не одинаковы и вероятность не 50 на 50 а например 30 на 80. тоже ММИ это притягивание за ущи детерсминизма туда где случайности существуют на фундаментальном уровне.две вселенных? а в чем тогда разница между вселенными 50на50 и 20 на 80?
ММИ - это убогая попытка притянуть за уши детерминизм туда где уже давно доказано экспериментально что случайности - фундаментальны несмотря на несогласие с этим в свое время эйншткйна шреингера и де Бройля. Потому сам Эверет забил на свою теорию как на назанятие физикой вообще.
КМ через два года исполняется 100 лет за это время она проверена с беспрецендентной точностью (как и ТО - вторая фундаментальная теория на которой стоит вся физика).
Непонятно почему на хабре столько сторонников фриковых теорий типа ММИ. видимо у меня устаревший на 30 лет взляд что програмист это человек с высшим техническим образованием как было в эру появления как тогда говорили "персоналов"
А минусование свидетелями ММИ только гоаорит о обсуствии научных аргументов которых и быть не иожет ни один серьезный физик теоретик не рассматривает ММИ как научную теорию. В основном это для научпопа
mayorovp
05.11.2022 17:54+1разве? вроде как речь о том что в разные щели электрон идет в разных вселенных
Нет, нет, и нет. ММИ — это интерпретация формул квантовой механики, она никак не может противоречить этому самому квантмеху и приводить к другим выводам.
В чем смысл расщепления если измерение уже произошло?
В ответе на вопрос "что такое измерение, почему взаимодействие двух частиц иногда является измерением, а иногда нет, и где провести границу?"
NumLock
04.11.2022 01:33-2Однако из-за волновой функции у квантовых частиц есть очень интересное свойство. Две частицы во время взаимодействия не просто сталкиваются друг с другом – на короткий промежуток времени их волновые функции пересекаются. И в этот момент у нас нет двух отдельных волновых функций – вместо них появляется единственная волновая функция, описывающая обе частицы одновременно.
С каждым новым запутыванием появляется единая волновая функция, описывающая все частицы разом. Очевидным выводом из процесса перевода волновой функции в реальность будет то, что существует единая волновая функция, описывающая всю Вселенную.
Нет не существует. Единая волновая функция образуется при взаимодействии и сохраняется (запутанность) только до следующего взаимодействия с другими частицами. При последующем взаимодействии происходит разрушение предыдущей единой волновой функции и образуется новая с другим столкнувшимся объектом.
mayorovp
04.11.2022 10:21Что такое "разрушение волновой функции" и почему оно должно происходить?
Чисто математически, можно построить волновую функцию для любого числа заранее выбранных объектов...
VDG
04.11.2022 10:55+1С каждым новым запутыванием появляется единая волновая функция, описывающая все частицы разом.
…
когда квантовая частица взаимодействует с другой квантовой частицей, универсальная волновая функция расщепляется на несколько секций
Так волновая функция при взаимодействии частиц объединяется или расщепляется? Вконец запутали.mayorovp
04.11.2022 15:23+3Упрощённо, по переменным — объединяется, по слагаемым — расщепляется.
Более строго, никакого объединения как такового нет.
Вот смотрите, допустим у нас были две частицы, описываемые функциями f(x) и g(y). Чтобы не вводить новых понятий, приведу простейший пример стоячих волн:
f(x) = sin x + sin 2x
g(y) = sin y + sin 3yДля них уже сейчас можно составить общую волновую функцию, в ней будет 4 слагаемых находящихся в суперпозиции:
h(x, y) = f(x) g(y) = (sin x + sin 2x)(sin y + sin 3y) = sin x sin y + sin 2x sin y + sin x sin 3y + sin 2x sin 3y
Теперь представим, что произошло какое-то взаимодействие, из-за которого 2 слагаемых "потерялись" и остались только 2 других, всё ещё в суперпозиции:
h(x, y) = sin x sin y + sin 2x sin 3y
Эту функцию больше невозможно представить в виде f(x) g(y), индивидуальные волновые функции как таковые более не имеют смысла. Именно это обычно и называют их "объединением".
Теперь представим что переменная "y" нас совсем не интересует, и нам хочется знать только поведение одной из частиц. Тогда можно записать следующее:
f1(x) = sin x; f2(x) = sin 2x
Это уже не одна волновая функция, а две разные — произошло то самое расщепление. Частица теперь находится не в суперпозиции, а в смешанном состоянии.
nzamb1
04.11.2022 13:46-2Многомировая интерпретация не принята научным сообществом.
caballero
05.11.2022 01:45-2Потому что несостоятельна и не согласуется с экспериментами. Да и не было в работе Эверета никаких паралельных вселенных.
Ellarihan
06.11.2022 11:59+1С какими именно экспериментами она не согласуется? Насколько знаю, на сегодняшний день не способа проверить какая из интерпретаций КМ верна.
garwall
Первый вопрос, который хочется задать, услышав про многомировую интерпретацию - откуда берется масса и энергия на новую параллельную вселенную вследствие коллапса волновой функции?
agalakhov
Например, можно считать, что параллельная вселенная не возникает, а всегда была, но была неотличима от нашей. Момент коллапса волновой функции - это момент, когда появляется отличие.
garwall
и все равно данный подход кажется сильно избыточней даже эпициклов.
AlchemistDark
Там нет никакой новой энергии. «Параллельная» вселенная в данной концепции это не какая-то другая вселенная. Это просто другое состояние нашей. Мы воспринимаем вселённую как классический бит, вроде как, если у нас вселенная в состоянии «1», то для состояния «0», нужна новая вселенная, а в реальности это одна и таже вселенная, просто в суперпозиции. Тут дело не в разных вселённых, а в том, что вселенная одна, но многогранна, а ограничено наше «классическое» восприятие, которое может воспринимать только одну её грань-состояние одновременно. И одновременно у меня есть другое сознание, спутанное с другим состоянием вселенной, только я там не читаю сейчас Хабр, а пишу свой «очень важный» пет-проект. А Вселенная это большой компьютер, просто не классический, а квантовый.
DrSmile
Энергия каждой ветви учитывается с соответствующей амплитудой. Многомировая интерпретация — это просто возведение уравнения Шредингера в абсолют, это чистка квантовой механики от всяких дополнительных постулатов. Раз уравнение энергию сохраняет, то и на уровне вселенных с ней все будет нормально.
garwall
нет, это просто отодвигает вопрос в какое-то абстрактное начало, и еще начинает заигрывать со строгим детерминизмом. (и если подумать, вопрос о стреле времени тоже можно поднять в данном контексте)
AYamangulov
Ответ - теорема Нётер. Закон сохранения массы-энергии - искусственный конструкт, "открытый" естествоиспытателями только потому, что мы привыкли иметь дело с кусочком вселенной, относительно слабо и равномерно искривленным настолько, что сохранение приблизительно существует с очень высокой точностью. В целом же законы сохранения во Вселенной (или Гипервселенной) в принципе не существуют глобально в масштабах всего сущего. Сохранение массы-энергии-импулься - это 19 век и начало 20-го, а не 21 и тем более не будущее. https://ru.wikipedia.org/wiki/Теорема_Нётер
garwall
и даже cpt-симметрия не работает?
Nikita22007
Так эта теорема не отменяет, а доказывает наличие законов сохранения: есть симметрия - есть закон сохранения.
Vizmaros
Как я понимаю текст, масса и энергия и являются волновой функцией. Соответственно, разделяясь, функция фактически создают массу, поскольку и является самой этой массой
fedorro
Ellarihan
Нет никакого "расщепления вселенной". Просто до квантового события существуют две или более параллельных вселенных с идентичной историей вплоть до момента бифуркации в виде исхода квантового события.