Некоторые интерпретации квантовой механики предполагают, что вся наша Вселенная описывается одной универсальной волновой функцией, которая постоянно разделяется и умножается, создавая новую реальность для каждого возможного квантового взаимодействия. Это довольно смелое заявление. Итак, как мы туда доберемся?
Одно из первых открытий в истории квантовой механики состоит в том, что материя обладает свойством волнообразности. Первым, кто предложил это, был французский физик Луи де Бройль, который утверждал, что каждая субатомная частица имеет связанную с ней волну, точно так же, как свет может вести себя как частица и как волна.
Другие физики вскоре подтвердили эту радикальную идею, особенно в экспериментах, где электроны разлетаются от тонкой фольги перед приземлением на цель. Способ рассеяния электронов был более характерен для волны, чем для частицы. Но затем возник вопрос: что такое волна материи? На что это похоже?
Связанный: Мы живем в квантовом мире?
Ранние квантовые теоретики, такие как Эрвин Шредингер, считали, что сами частицы размазаны по пространству в форме волны. Он разработал свое знаменитое уравнение для описания поведения этих волн, которое используется до сих пор. Но идея Шрёдингера столкнулась с дополнительными экспериментальными испытаниями. Например, хотя электрон вел себя как волна во время полета, когда он достигал цели, он приземлялся как единая компактная частица, поэтому его нельзя было физически растянуть в пространстве.
Вместо этого стала распространяться альтернативная интерпретация. Сегодня мы называем это копенгагенской интерпретацией квантовой механики, и это, безусловно, самая популярная интерпретация среди физиков. В этой модели волновая функция — так физики называют волновое свойство материи — на самом деле не существует. Вместо этого это математическое удобство, которое мы используем для описания облака квантово-механических вероятностей того, где мы можем найти субатомную частицу в следующий раз, когда будем ее искать.
Цепи запутанности
Однако копенгагенская интерпретация имеет несколько проблем. Как указывал сам Шредингер, неясно, как волновая функция превращается из облака вероятностей до измерения в простое несуществование в момент, когда мы делаем наблюдение.
Так что, возможно, в волновой функции есть что-то более значимое. Возможно, это так же реально, как и все сами частицы. Де Бройль был первым, кто предложил эту идею, но в конце концов он присоединился к копенгагенскому лагерю. Более поздние физики, такие как Хью Эверетт, снова рассмотрели проблему и пришли к тем же выводам.
Превращение волновой функции в реальную вещь решает эту проблему измерения в копенгагенской интерпретации, потому что оно лишает измерения того сверхспециального процесса, который разрушает волновую функцию. Вместо этого то, что мы называем измерением, на самом деле представляет собой просто длинный ряд квантовых частиц и волновых функций, взаимодействующих с другими квантовыми частицами и волновыми функциями.
Если построить детектор и направить в него электроны, например, на субатомном уровне, электрон не будет знать, что его измеряют. Он просто попадает на атомы на экране, который посылает электрический сигнал (состоящий из большего количества электронов) по проводу, который взаимодействует с дисплеем, который излучает фотоны, попадающие в молекулы в ваших глазах, и так далее.
На этой картинке каждая отдельная частица получает свою собственную волновую функцию, вот и все. Все частицы и все волновые функции просто взаимодействуют, как обычно, и мы можем использовать инструменты квантовой механики (такие как уравнение Шредингера), чтобы предсказать их поведение.
Универсальная волновая функция
Но у квантовых частиц есть действительно интересное свойство из-за их волновой функции. Когда две частицы взаимодействуют, они не просто сталкиваются друг с другом; на короткое время их волновые функции перекрываются. Когда это происходит, у вас больше не может быть двух отдельных волновых функций. Вместо этого у вас должна быть одна волновая функция, описывающая обе частицы одновременно.
Когда частицы расходятся, они по-прежнему сохраняют эту единую волновую функцию. Физики называют этот процесс квантовая запутанность – какие Альберт Эйнштейн называется «жутким действием на расстоянии».
Когда мы повторяем все этапы измерения, получается серия запутанностей из перекрывающихся волновых функций. Электрон запутывается с атомами на экране, которые запутываются с электронами в проводе, и так далее. Даже частицы в нашем мозгу переплетаются с Землясо всем светом, приходящим и исходящим от нашей планеты, вплоть до каждой частицы во вселенной, переплетающейся с каждой другой частицей во вселенной.
С каждой новой запутанностью у вас есть одна волновая функция, описывающая все объединенные частицы. Таким образом, очевидный вывод из того, что волновая функция реальна, состоит в том, что существует единственная волновая функция, описывающая всю вселенную.
Это называется «многомировой» интерпретацией квантовой механики. Это название он получает, когда мы спрашиваем, что происходит в процессе наблюдения. В квантовой механике мы никогда не уверены, что будет делать частица — иногда она может подниматься вверх, иногда опускаться и так далее. В этой интерпретации каждый раз, когда квантовая частица взаимодействует с другой квантовой частицей, универсальная волновая функция расщепляется на несколько частей, причем разные вселенные содержат каждый из различных возможных результатов.
А это как получить мультивселенную. Благодаря простому акту запутывания квантовых частиц друг с другом вы получаете множество копий Вселенной, создаваемых снова и снова все время. Каждый из них идентичен, за исключением крошечной разницы в каком-то случайном квантовом процессе. Это означает, что есть несколько копий вас, читающих эту статью прямо сейчас, и все они абсолютно одинаковы, за исключением некоторых крошечных квантовых подробностей.
Эта интерпретация также имеет трудности — например, как на самом деле разворачивается это расщепление? Но это радикальный взгляд на Вселенную и демонстрация того, насколько мощной является квантовая механика как теория — то, что начиналось как способ понять поведение субатомных частиц, может управлять свойствами всего космоса.
Следуйте за нами на Twitter @Spacedotcom (откроется в новой вкладке) или на Фейсбук (откроется в новой вкладке).
