[Перевод] Многомировая интерпретация и мультивселенная – могут ли они оказаться одной и той же идеей?

Отвечая на вопросы о параллельных мирах, физикам необходимо аккуратно различать интерпретации этой идеи. В инфляционной космологии есть идея «мультивселенной», в квантовой механике – «множественность миров» или «ветви волновой функции», в теории струн – «параллельные браны». Но в последнее время люди всё чаще задумываются о том, не могут ли первые две идеи исходить из одной основной. (Браны, с моей точки зрения, всё-таки совершенно отдельное понятие).

На первый взгляд, это безумие – или, по крайней мере, мне так сначала показалось. Когда космологи рассуждают о мультивселенной, они используют отчасти поэтический термин. На самом деле имеются в виду разные регионы пространства-времени, находящиеся так далеко, что мы не можем их наблюдать, но всё же принадлежащие тому, что мы хотели бы называть «вселенной». В инфляционной космологии эти отдалённые регионы могут быть относительно самодостаточными – как называет их Алан Гут, «карманными вселенными». Если скомбинировать это с теорией струн, то появляющиеся локальные законы физики у разных карманных вселенных могут быть очень разными. У них могут появиться разные частицы, разные силы и даже другое число измерений. Поэтому их вполне разумно считать отдельными вселенными, даже если все они – часть одного и того же пространства-времени.

При беглом взгляде на квантовую механику тамошняя ситуация кажется совершенно другой. Вспомните кота Шрёдингера. Квантовая механика описывает реальность через волновые функции, назначающие значения (амплитуды) всем возможным вероятностям того, что мы можем наблюдать. Кот ни жив, ни умер – он находится в суперпозиции жизни+смерти. По крайней мере, пока мы не проведём наблюдение. В упрощённой копенгагенской интерпретации, в момент наблюдения волновая функция «коллапсирует» в одну реальную возможность. Мы видим либо живого, либо мёртвого кота. Другая возможность исчезла. В интерпретации множественности миров Эверетта, обе возможности продолжают существовать, но мы, макроскопический наблюдатель, разделяемся надвое – один из нас наблюдает живого кота, а другой – мёртвого. И теперь нас уже двое, оба абсолютно реальные, и друг с другом нам не сойтись.

Две этих идеи кажутся абсолютно разными. В космологической мультивселенной другие вселенные просто очень далеко. В квантовой механике они существуют прямо тут, но в различных пространствах возможностей (в разных частях гильбертового пространства, если хотите углубляться в детали). Но некоторые физики уже давно думают над тем, не могут ли эти идеи оказаться одной и той же. А парочка новых научных работ, опубликованных смелыми мыслителями из района залива Сан-Франциско, подробно разрабатывает эту гипотезу.

1. Physical Theories, Eternal Inflation, and Quantum Universe, Yasunori Nomura
2. The Multiverse Interpretation of Quantum Mechanics, Raphael Bousso and Leonard Susskind

Связанные с этой гипотезой идеи недавно обсуждались под рубрикой «как заниматься квантовой механикой в бесконечно большой вселенной» – это работы Дона Пейджа и Энтони Агуайера (и др.). Но ранее упомянутые работы посвящены непосредственно гипотезе «мультивселенная = множественность миров».

После прочтения этих двух работ я превратился из сомневающегося скептика в осторожного последователя. Случилось это по простой причине: я понял, что эти идеи хорошо сочетаются с другими, над которыми размышлял я сам! Так что я попытаюсь объяснить, что происходит. Однако моя интерпретация этих работ дана под влиянием моих собственных идей. Поэтому я объясню то, что, по моему мнению, может оказаться истиной. Я думаю, что объяснение будет достаточно близким к изложенному в двух этих работах, но не нужно винить их авторов за какую-либо глупость, исходящую от меня.

Существуют две идеи, совместно приводящие это безумное предположение к чему-то осмысленному. Первая – ослабление квантового вакуума.

Когда специалисты по физике частиц говорят «вакуум», они не имеют в виду «пустое пространство», они говорят о «состоянии с наименьшей энергий из всех сходных состояний». Допустим, у вас есть скалярное поле, заполняющее вселенную, способное принимать различные значения, и с каждым из них связана некая отличная от других потенциальная энергия. При нормальном развитии событий поле стремится достичь минимума потенциальной энергии – это и есть «вакуум». Но при этом бывает «истинный вакуум», в котором энергия действительно наименьшая из возможных, и бывают «ложные вакуумы», где вы достигли локального минимума, но не глобального.

Судьба ложного вакуума была проработана в нескольких знаменитых работах Сиднея Коулмана и его коллег в 1970-х. Если кратко, то поля подвержены квантовым флуктуациям. Поэтому скалярное поле не находится в спокойном вакуумном состоянии. Если наблюдать за ним, можно увидеть, как оно немного отклоняется. Иногда оно отклоняется так сильно, что перебирается даже через барьер в направлении истинного вакуума. Это не происходит по всему пространству одновременно; это случается в небольшом регионе, в «пузыре». Но когда это происходит, поле уже стремиться оставаться в состоянии истинного вакуума, а не ложного – первое энергетически предпочтительнее. Поэтому пузырь растёт. Другие пузыри в других местах тоже растут. В результате пузыри сталкиваются, и переход от ложного вакуума в истинный успешно завершается. (Если только Вселенная не расширяется так быстро, что пузыри не достигают друг друга). Это очень похоже на то, как вода превращается в пар, формируя пузырьки.

Именно в таком ключе все говорят о судьбе ложного вакуума, но на самом деле всё происходит не так. Квантовые поля не испытывают «флуктуации»; это поэтический язык, используемый для облегчения связи с нашей классической интуицией. Флуктуации подвергаются наши наблюдения – мы смотрим на одно и то же поля много раз, и каждый раз наблюдаем различные значения.

Точно так же, говорить, что «пузырь формируется и растёт» не совсем верно. На самом деле для пузыря существует некоторая квантовая амплитуда, и она со временем растёт. Когда мы смотрим на поле, мы либо видим пузырь, либо не видим – так же, как, открывая коробку Шрёдингера, мы видим живого кота или мёртвого. Но на самом деле существует квантовая волновая функция, описывающая все возможности сразу.

Учтём это, и введём второй ключевой ингредиент: дополнительность (комплементарность) горизонта. Это обобщение идеи комплементарности чёрных дыр, которая, в свою очередь, растёт из квантового принципа дополнительности. (Уже запутались?). Понятие дополнительности ввёл Нильс Бор, и оно означает, что «вы можете представлять себе электрон как частицу, или как волну, но не как то и другое одновременно». То есть, существуют разные, одинаково допустимые, способы описания чего-либо, которые нельзя использовать одновременно.

Комплементарность чёрных дыр, грубо говоря, заключается в том, что «можно говорить о том, что происходит внутри чёрной дыры, или снаружи, но не одновременно». Это способ избежать парадокса исчезновения информации в чёрной дыре по мере её испарения. Если бросить книгу в чёрную дыру, и информация о ней не теряется, то в принципе у вас должна быть возможность воссоздать её содержание, собрав всё излучение Хокинга, испущенное чёрной дырой. Это звучит правдоподобно, даже если вы не понимаете механизм, управляющий этим процессом. Проблема в том, что можно «отрезать» кусочек пространства-времени, содержащий одновременно и упавшую внутрь книгу, и исходящее излучение! Так где же находится информация? (В двух местах одновременно её быть не может – это запрещено теоремой о запрете клонирования.

Сасскинд, Торлациус и Аглум, а также Герард ‘т Хоофт предложили в качестве решения проблемы дополнительность: можно либо говорить о книге, падающей в сингулярность внутри чёрной дыры, или можно говорить об излучении Хокинга снаружи, но не о них обеих сразу. Это немного похоже на принятие желаемого за действительное и попытку спасти физику от неприятной перспективы исчезновения информации вместе с излучением чёрных дыр. Но чем больше теоретики думают о работе чёрных дыр, тем больше собирается доказательств истинности чего-то наподобие дополнительности.

Согласно принципу комплементарности чёрных дыр, находящийся снаружи наблюдатель не должен думать о том, что происходит внутри. Точнее, всё, что происходит внутри, может быть закодировано информацией, находящемся на самом горизонте событий. Эта идея хорошо совмещается с голографией, и тем фактом, что энтропия чёрной дыры пропорциональна площади горизонта, а не её объёму. По сути, вы меняете «внутренность чёрной дыры» на «информацию, живущую на горизонте» (точнее, на «растянутом горизонте», находящемся непосредственно над реальным). В свою очередь, эта идея связана с мембранной парадигмой чёрных дыр, но эта статья уже и так раздулась.

Горизонт событий – не единственный тип горизонта в общей теории относительности. Горизонты есть и в космологии. Разница в том, что мы можем находиться вне чёрной дыры, одновременно находясь внутри вселенной. А космологический горизонт – это окружающая нас сфера, за которой всё так отдалено, что свету не хватает времени дойти до нас.

А есть дополнительность горизонтов: можно рассуждать о том, что находится внутри вашего космологического горизонта, но не о том, что снаружи. Всё, что, по вашему мнению, может происходить снаружи горизонта, может быть зашифровано в виде информации на самом горизонте – точно так, как у чёрных дыр! Это превращается в очень чёткое и правдоподобное утверждение в пустом пространстве с космологической константой (пространстве де Ситтера), где существует даже точный аналог излучения Хокинга. Но дополнительность горизонтов утверждает, что это истинно даже в более общем смысле.

С точки зрения сторонников дополнительности, все эти карманные вселенные космологов не имеют смысла. Точнее, не нужно думать о них буквально. Всё, о чём нужно рассуждать, это то, что происходит внутри (и на поверхности) вашего собственного горизонта. А это конечное количество всего, а не бесконечно большая мультивселенная. Можете представить, что у такой перспективы есть далеко идущие последствия в области космологических предсказаний. Споры о том, как увязать это всё вместе, разгораются в научном сообществе.

Теперь свяжем обе идеи вместе: дополнительность горизонта («думайте только о том, что происходит внутри наблюдаемой вселенной») и ослабление квантового вакуума («в любой точке пространства есть квантовая суперпозиция различных вакуумных состояний»).

В результате получается мультивселенная в шкатулке. Или, по крайней мере, мультевселенная внутри горизонта. С одной стороны, дополнительность говорит, что не нужно рассуждать о том, что находится снаружи наблюдаемой вселенной. На любой разумный вопрос можно найти ответ в терминах того, что происходит внутри горизонта. С другой стороны, квантовая механика говорит, что полное описание всего, что происходит внутри наблюдаемой вселенной, включает амплитуду, находящуюся в различных возможных состояниях. Так что мы заменили космологическую мультивселенную, в которой разные состояния находятся в крайне разделённых регионах пространства-времени, на локализованную мультивселенную, где разные состояния находятся в одном месте, просто на разных ветвях волновой функции.

Это сложно усвоить сразу, но надеюсь, что основные моменты ясны. Но истинно ли всё это? И если да, что нам с этим делать?

Очевидно, ответов на эти вопросы у нас нет, но рассуждать об этом очень интересно. Я склоняюсь к тому, что это вполне может оказаться истинным. А если так, то я хотел бы спросить, какие это несёт последствия для начальных космологических условий и для стрелы времени. Не думаю, что такой подход даёт простые ответы на эти вопросы, но он может предложить относительно надёжную платформу, с которой можно начать развивать определённые ответы. Вселенная очень большая, и можно ожидать того, что её понимание окажется для нас серьёзным вызовом.