«Популярное Изложение»: Физика микромира. Две интерпретации квантовой реальности

Квантовый мир

В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают и принимают энергию дискретным образом – порциями. Эти порции энергии он назвал квантами. Впоследствии Эйнштейн применил квантовую теорию Планка в своей теории света, результатом чего стало принципиальное положение, что свет также состоит из квантов, движущихся со скоростью 299 792 458 м/с.

Именно использование понятия «кванта» в качестве системообразующего элемента является отличительной чертой квантовой физики (о чем свидетельствует само название). Квантовая физика занимается изучением квантовых систем, или микросистем. Иными словами, она описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул и других систем с электронно-ядерным строением. При этом подразумевается, что события, проявляющиеся на уровне микромира, имеют следствия на уровне макромира. Микромир и макромир – это области реальности, различающиеся уровнями структурной организации материи.

Если макромир – это обычный человекоразмерный мир, в котором действуют привычные параметры: метры, килограммы, минуты, то микромир – это качественно иная область, в которой размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки составляют миллиардные доли секунды. Разница между мирами заключается также в способе существования материи на двух уровнях. В макромире материальные объекты имеют либо корпускулярную (частичную), либо волновую природу, в микромире же они неотличимо переплетаются, что порождает необходимость создания новых способов описания. Так, один из ключевых принципов квантовой физики (принцип дополнительности), сформулированный Нильсом Бором, гласит: «Для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных». 

Квантовая физика занимается изучением исключительно микрообъектов, чья величина не должна превышать постоянной Планка. В противном случае квантовая механика переходит в классическую механику (макрообъектный уровень). Постоянная Планка – это критерий различения микро- и макрообъектов. Постоянная Планка является показателем момента импульса. Момент импульса – это величина, характеризующая количество вращающейся массы, ее распределение относительно оси вращения и скорость вращения. Понятно, что момент испульса у микро- и макрочастиц различный.

Как мы уже отмечали выше, квантовая физика постулирует принципиальную связь между мирами, поэтому неудивительно, что споры о поведении атомов в конце концов переросли в споры об устройстве мироздания. В квантовой физике существует две наиболее распространенные интерпретации этого вопроса.

Копенгагенская модель Вселенной

Первая – Копенгагенская интерпретация, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Свое название получила в связи с тем, что эти два физика на момент создания интерпретации работали в Копенгагене. Вторая – Многмировая интерпретация – была сформулирована американским физиком Хью Эвереттом III. Чтобы объяснить разницу между интерпретациями, необходимо рассмотреть некоторые принципиальные моменты. Первым таким моментом является понятие «волновой функции». Если говорить в общем смысле, волновая функция – это функция, описывающая чистое состояние квантовой системы. Чистое состояние – это любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.

Поскольку физический мир, согласно копенгагенской интерпретации, состоит из квантов (микрообъектов) и измерительных приборов (макрообъектов), квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в макроусловиях, создающихся человекоразмерными измерительными приборами в процессе наблюдения. Более того, в процессе взаимодействия микрообъекта с атомами измерительного прибора происходит редукция волновой функции измеряемого микрообъекта. Редукция волновой функции – это мгновенное изменение описания квантового состояния объекта, происходящее при его измерении, переход от параметров микрообъектности к макрообъектности.

При этом, согласно копенгагенской интерпретации, редукция волновой функции сводит квантовую суперпозицию к одному состоянию. Суперпозиция в квантовой физике – это одновременное сосуществование взаимоисключающих состояний у одного микрообъекта. Таким образом, смысл копенгагенской интерпретации сводится к тому, что в момент акта наблюдения, когда взаимодействуют квантовый объект и измерительный прибор, квантовый объект утрачивает свою неопределенность (суперпозицию), свою корпускулярно-волновую природу, и предстает наблюдателю либо как частица, либо как волна.

Многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация напротив утверждает, что не существует единой волновой функции и что у квантового объекта и наблюдателя они разные. Поэтому процесс измерения микрообъекта дает разные значения измеряемой величины и, поскольку они коррелируют, – разные значения наблюдателя. Можно сказать, что при каждом акте измерения квантового объекта наблюдатель как бы расщепляется на неограниченное количество версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную предшествующую измерению историю и версию Вселенной.

Вот почему эту интерпретацию и называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную – Мультиверсом. При этом важно понять, что многомировая интерпретация не предполагает реального наличия параллельных вселенных. Квантовый мир, согласно многомировой интерпретации – ровно один, однако в силу наличия в нем бесчисленного множества волновых функций объектов, этот мир может быть описан бесконечным количеством различных способов. Другими словами, под «другим миром» в многомировой интерпретации понимается просто другой способ описания одного и того же реального мира.