Очарование мультивселенной. Параллельные миры, другие измерения и альтернативные реальности

Я думаю, у нас достаточно мороки и с одной Вселенной [2].

В современном обществе с его повсеместными камерами чтобы во что-то поверить, необходимо это увидеть. Сообщения штампуются и заверяются водяными знаками фотодоказательств. «Фото в студию или этого не было!» – гласит популярный мем. В эпоху фейков и фотоманипуляций далеко не каждое изображение подлинно, но аутентичные снимки продолжают сохранять определенный вес.

Неудивительно, что так много внимания привлек запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) под Рождество 2021 года и открытый с июля 2022‐го постоянно растущий массив его потрясающих снимков. Тусклые, далекие галактики из эпохи зарождения Вселенной – спустя всего несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва – внезапно ожили. Звездные питомники сверкают и переливаются, как усыпанные капельками росы полевые цветы. Никакие симуляции и уравнения не могут сравниться в глазах людей с такими яркими фотосвидетельствами, пусть и преобразованными из инфракрасного диапазона в цветные портреты. Настоящие фотографии из космоса!

Чтобы закрепить ощущение реальности происходящего, мы стремимся визуализировать данные, которые получили с помощью телескопа или других инструментов. На этом фоне растущий интерес физиков к мультивселенной, включая ненаблюдаемые ее части, на первый взгляд кажется нелогичным. Проверенный временем научный метод требует экспериментальных подтверждений. Между тем сама идея мультивселенной, дополняющей наблюдаемую Вселенную областями, находящимися за пределами прямого обнаружения, кажется несовместимой с требованиями проверяемости. Разве стал бы детектив делать выводы о возможном преступлении, если бы у него не было абсолютно никаких возможностей собрать доказательства – доступа к месту происшествия, показаний очевидцев и так далее?

Поэтому выход за пределы потенциально наблюдаемого, который подразумевается в теориях мультивселенной, кажется радикальным шагом, и его не стоит совершать легкомысленно. Почему бы не остановиться на измеримом и не составлять карту того, что можно увидеть с помощью таких мощных инструментов, как космический телескоп? Нет сомнений, что тут еще многое предстоит изучить.

В силу инстинкта и традиций человечество стремится как можно лучше понять окружающую среду, чтобы избегать опасностей, использовать представившиеся возможности и делать полезные прогнозы. Со времен великих мореплавателей важнейшей частью нашего культурного наследия стало картографирование земного шара, а затем и космоса, вплоть до самых дальних пределов того, что доступно для наблюдения. Тщательно документируя найденное, мы стремимся заполнить пробелы в нашей картине мира. Карты, на которых не осталось белых пятен, дают нам уверенность в себе и преимущества от знания всего, что есть на охваченном пространстве.

Однако, как это ни парадоксально, обследуя свою территорию, мы, подобно животным, запертым в клетке, сталкиваемся с пределами возможного. Наше любопытство не знает границ. Любая карта или система, претендующая на описание всего, порождает вопросы: может ли быть что-то еще, и если да, то нельзя ли как-то заглянуть в эти запредельные области?

Модели мультивселенной взывают именно к этому чувству. Наше воображение порождает бесчисленные альтернативы, многие из которых невозможно проверить. Увлечение альтернативной историей и любопытство к неведомым мирам подхлестнули интерес публики к недавним фильмам и телесериалам с мотивами множественных миров, таким как оскароносный фильм «Всё везде и сразу», популярный сериал «Человек в высоком замке» и многочисленные проекты кинематографической Вселенной Marvel. В мультсериале «Рик и Морти» главные герои почти в каждом эпизоде отправляются в необычные параллельные Вселенные, порой сталкиваясь с причудливыми альтернативными версиями самих себя. Такие приключения в иных измерениях прочно укоренены в литературной традиции. Преодоление физических ограничений пространства и времени – уже много лет одна из главных тем научной фантастики.

Чтобы рассматривать концепции мультивселенной всерьез, ученым требуется нечто большее, чем досужие размышления о неведомых пространствах и нереализованных возможностях. Нужны весомые аргументы, чтобы перекрыть такой очевидный недостаток, как отсутствие непосредственного наблюдения. В целом модели мультивселенных предлагают практически неограниченные математические и/или концептуальные возможности для объяснения наблюдаемых особенностей Вселенной – подобно тому, как огромные невидимые бетонные фундаменты, лежащие в основании многих небоскребов, поддерживают их элегантные высотные конструкции.

Возьмем, к примеру, страстное стремление физиков отыскать простое, единое объяснение природных сил. Они пытаются описать все взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные – одним и тем же базовым языком. Одна из трудностей заключается в том, что гравитация, в отличие от других сил, не поддается проверенным способам согласования с квантовой физикой. Попытки преодолеть это сопротивление привели к созданию теории суперструн, в основе которой лежит представление об активно вибрирующих нитях энергии, и сегодня ее можно назвать доминирующим подходом к проблеме. Эту теорию удается математически корректно описать только в пространстве большей размерности, чем мы привыкли – обычно речь идет о десяти или одиннадцати измерениях. Как правило, в результате математического процесса, называемого компактификацией, дополнительные измерения – помимо привычных пространства и времени – сворачиваются в неизмеримо малые клубки или узлы. В некоторых вариантах они велики, но недоступны для материи и света, а значит, их невозможно наблюдать. По сути, теория суперструн и другие попытки разработать «теорию всего» с использованием многомерных пространств задействуют сущности, выходящие за рамки непосредственно обнаружимого, чтобы создать математически строгое, единое описание природных сил. Если подобная модель когда-нибудь достигнет своей цели, многие физики сочтут элегантное объяснение достаточным и откажутся от необходимости проверять скрытые элементы такой теории.

Живя в роскошных апартаментах чикагского небоскреба и удивляясь его исключительной устойчивости при сильном ветре, вы не станете жаловаться, что не можете исследовать горные породы под его фундаментом. Точно так же многие теоретики готовы принять ненаблюдаемые составляющие модели мультивселенной, если она хорошо объясняет основные факты реальности. Однако, как и в архитектуре, существует широкий спектр мнений и вкусов относительно того, насколько серьезно следует относиться к гипотезе мультивселенной.

На одном конце спектра находится абсолютный реализм, который требует подкреплять любое утверждение фотографическими доказательствами или чем-то аналогичным. Законы Вселенной с этой точки зрения должны быть пригнаны друг к другу так же строго, как детали в идеальной машине, функционирующие с механической точностью. Таково наследие Исаака Ньютона, описавшего космос как часовой механизм. С этой точки зрения мультивселенная – предмет слепой веры, а не достоверной науки.

На другом конце – концепция ландшафта, которая охватывает все мыслимые формы реальности. Как бы странно это ни звучало, могут существовать целые Вселенные, к которым у нас никогда не будет доступа, но столь же реальные. Наличие других Вселенных помогает обосновать всеобъемлющую теорию нашей. В таком случае почему мы оказались в этом, а не в одном из бесчисленных других миров? Может быть, существует механизм отбора, и наша Вселенная оказалась наиболее подходящей для зарождения разумной жизни? Это так называемый антропный принцип, объясняющий, почему мы находимся именно здесь, и исключающий нежизнеспособные альтернативы. Или же наше присутствие в этой конкретной Вселенной – просто каприз случая, и наша космическая обитель – лишь перекати-поле посреди ветреной пустыни абсурда?

Крайняя осторожность, запредельная надуманность или нечто среднее – таков сегодняшний разброс мнений в физическом сообществе. В зависимости от вкуса и терпимости то, что одни считают блестящей идеей, другим может казаться полнейшей глупостью. Поскольку консенсуса нет, каждый запрос на финансирование исследовательского проекта, посвященного косвенной проверке теории мультивселенной, может вызывать гневные протесты. Между тем единая теория, которая объясняла бы устройство мира и включала бы только напрямую проверяемые предположения, кажется недостижимой как никогда. Чтобы не отказываться от задачи построения такой теории, нам, возможно, придется пойти на компромисс, примиряющий противоположные мнения о том, где следует проводить черту.

В современной физике границы между мейнстримом и далекими от него идеями с годами существенно меняются. Иногда маргинальные представления входят в моду, и наоборот. Например, до появления теории относительности лишь немногие ученые всерьез воспринимали понятие четвертого измерения. Теперь это общепринятый способ включить время вместе с пространством в единое пространство-время.

С учетом таких поворотов кажется, что лучше всего сохранять осторожную непредвзятость по отношению к различным моделям мультивселенной, а не отвергать их с порога. Одна из целей этой книги – продемонстрировать, как изменчивость физических понятий, которая порой превращает концепции, кажущиеся невыносимо странными, в нечто вполне логичное и разумное, подсказывает, что не стоит выносить однозначных суждений об идее множественных миров. Между безудержным энтузиазмом и категорическим отрицанием найдется достаточно места для вдумчивой оценки ее достоинств и недостатков.

Квантовые странности и коты-зомби

Учитывая научную традицию, которая требует подвергать каждую теорию экспериментальной проверке, абсолютный реализм может показаться наиболее практичным подходом. Однако природа не так проста. Хотя в XVIII и XIX веках ньютоновская физика, известная также как классическая механика, обещала, что можно – по крайней мере теоретически – проследить траекторию любого объекта в наблюдаемом космосе, в начале XX века физическому сообществу пришлось отказаться от мысли, будто все можно измерить в любой момент.

Принцип неопределенности Гейзенберга, появившийся в квантовой механике в середине 1920‐х годов, отрицает саму такую возможность. Он утверждает довольно странную вещь: некоторые пары физических величин, например координаты и импульс (масса, умноженная на скорость) элементарной частицы, таковы, что чем точнее известна одна из них, тем более неопределенной становится другая. Если экспериментатор хочет получить точные результаты, ему приходится выбирать, какую характеристику измерить.

Фотографам часто требуется решить, какая часть изображения будет в фокусе – передний план или задний. В некоторых случаях на одном снимке с высоким разрешением невозможно добиться безупречной фокусировки на обоих планах одновременно. Если есть одна-единственная фотография события, а самая важная часть на ней размыта, доказательство теряет силу. К счастью, часто делается серия почти одновременных снимков, дающая полную картину – как раз для тех, кто требует «фото в студию».

Квантовая физика такой роскошью не располагает. Даже с самыми совершенными приборами экспериментаторы не могут одновременно измерить точные местоположение и импульс частицы. Более того, в сложных взаимодействиях, как показал известный американский физик Ричард Фейнман, частицы могут одновременно перемещаться из одной точки в другую по нескольким маршрутам[3], что легло в основу метода, названного суммированием по историям. В отличие от классической физики, в которой каждый объект движется по единственной предсказуемой траектории, в понимании Фейнмана поведение частицы складывается из множества различных путей, каждый из которых имеет свою вероятность. Мы наблюдаем лишь общий результат, а не альтернативные истории, которые в него вошли. Поэтому видимый нами мир принципиально содержит лишь часть полной информации о его потенциальных свойствах. Полный набор данных, называемых квантовыми состояниями, содержится в абстрактном пространстве неограниченной размерности, которое венгерско-американский математик Джон фон Нейман назвал гильбертовым пространством.

Следуя философским изысканиям титана современной физики Нильса Бора, фон Нейман в конце 1920‐х годов описал двухступенчатую схему для квантовых процессов. Она получила широкое признание и стала известна как копенгагенская интерпретация – в честь датского города, где Бор в своем институте собрал самых выдающихся мыслителей, занимавшихся квантовой физикой. Иногда ее также называют ортодоксальной интерпретацией.

На первой стадии процесса фон Неймана квантовые состояния развиваются в соответствии с объективными детерминистскими законами, хоть и в гильбертовом пространстве, а не в осязаемом мире. Описать такое развитие событий относительно легко.

Однако на втором этапе он ввел весьма своеобразную роль наблюдателей-людей. Проводя измерения определенного типа – например, определяя положение частицы – наблюдатели заставляют сложное квантовое состояние, охватывающее целый ряд возможных положений, коллапсировать с определенной вероятностью в одно из них. Исходное состояние, подобно карточному домику, схлопывается в тонкую стопку. Результатом становится единственное значение измеряемого свойства – например, точное местоположение электрона. Как ни странно, если бы был выбран другой способ наблюдения – скажем, измерялся бы импульс, а не координаты, – то полное квантовое состояние предложило бы выбор из набора возможных значений импульса и при измерении схлопнулось бы к одному из них. Таким образом, квантовая механика, согласно копенгагенской интерпретации, зависит от сознательного наблюдения, выделяющего конкретную характеристику и сужающего диапазон ее возможных значений.

Как отмечали Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн и многие другие, одна из главных проблем такой интерпретации – искусственное разделение между наблюдаемым и наблюдателем. В конце концов, люди-наблюдатели тоже состоят из элементарных частиц. Что дает человеку (или другим сознающим субъектам) эту уникальную способность запускать квантовый процесс?

В одной из своих последних лекций Эйнштейн задался вопросом: разве мышь, наблюдающая за квантовой системой, не может измерить физическую характеристику и вызвать коллапс ее состояния? Почему только человек? Необходимость в разумном наблюдателе, по мнению Эйнштейна, была явной слабостью теории, которую требовалось заменить более объективным механизмом.

Выбрав другое животное, Шрёдингер в своем знаменитом парадоксе блестяще проиллюстрировал некоторые сложные дилеммы, связанные с квантовыми измерениями. Представьте себе кота, писал он, которого поместили в закрытый ящик вместе с радиоактивным атомом, имеющим 50-процентную вероятность распада в течение заданного промежутка времени, счетчиком Гейгера, подключенным к нему молотком и ампулой с ядом. Предположим, атом распался, это приведет в действие счетчик, молоток ударит по ампуле и разобьет ее, выпустит яд и убьет кота. Если же атом не распадется, кот будет спасен.

Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, атом будет пребывать в смешанном квантовом состоянии (распавшемся и нераспавшемся) до тех пор, пока коробку не откроют. В этот момент разумный наблюдатель сможет произвести акт измерения этого состояния и вынудит его коллапсировать в одну из двух возможностей. А значит, пока коробка закрыта, бедный кот будет пребывать в зомбиподобном промежуточном квантовом состоянии между жизнью и смертью. Это явный абсурд, отметил Шрёдингер, поэтому нужно разработать более разумное описание квантовых процессов.

Более того, как отмечал американский физик Джон Уилер и другие, если квантовая механика универсальна, ее можно применить и к самой Вселенной. Теоретически космос как целое должен описываться квантовым состоянием невообразимой сложности. Но очевидно, что у Вселенной не может быть внешнего наблюдателя, запускающего коллапс ее единого квантового состояния[4].

Идея, будто природные процессы, происходящие миллиарды лет, зависят от сознательного наблюдения, действительно представляется весьма странной. Однако, как однажды сказал Бор австрийскому физику Вольфгангу Паули по совсем другому случаю:

Мы все согласны, что ваша теория безумна. Вопрос, по которому мы расходимся, заключается в том, достаточно ли она безумна, чтобы иметь шанс оказаться верной. На мой вкус, она недостаточно безумна[5].

Сам Бор не всегда руководствовался этим подходом и упорно отстаивал ортодоксальные представления о квантовой механике. Но другой мыслитель, Хью Эверетт, молодой аспирант Уилера в Принстоне, довел в 1950‐х годах эту теорию до еще большего безумия. Предложив убрать из квантовой картины человеческое вмешательство, Эверетт создал первую знаменитую модель мультивселенной. Таким образом, неправдоподобность общепринятого подхода лежала у самых истоков причудливых представлений о мультивселенной.

Изобретательная гипотеза Эверетта фактически отсекала второй шаг фон Неймана, словно заплесневелый кусок буханки хлеба. Утверждалось, что квантовые состояния на самом деле никогда не коллапсируют. Напротив, существует универсальная волновая функция, которая бесконечно эволюционирует, подобно вечно текущей реке со множеством рукавов. Как ни странно, даже после измерения и объекты наблюдения, и сами наблюдатели остаются в смешанных состояниях, охватывающих множество исходов и свидетелей. Все это происходит изолированно и бесшовно, как в отдельных кинозалах мультиплекса, в каждом из которых зрители смотрят свой фильм. Копия ученого из одной ветви никогда не узнает о тех, кто находится в других ветвях. Вселенная просто продолжает жить и развиваться, а параллельные нити, представляющие каждый возможный исход, сплетаются в прочную ткань реальности.

Например, если бы кто-то попытался провести эксперимент с котом Шрёдингера (как бы это ни было ужасно), никакой неоднозначности не возникло бы. В одном варианте реальности атом распадется, несчастный кот погибнет, а наблюдатель откроет ящик и будет оплакивать потерю. В другом атом останется целым, кот выживет, а другая, столь же реальная версия наблюдателя будет ликовать. Оба исхода сосуществуют во вселенском квантовом состоянии, из которого складывается реальность.

Уилер отправил один из вариантов диссертации Эверетта проницательному физику-гравитационисту Брайсу Девитту для публикации в журнале. Первоначально Девитт возражал против идеи расщепления наблюдателей, утверждая, что лично он никогда ничего подобного не испытывал. Эверетт ответил, что вращения Земли мы тоже не ощущаем. Девитт был впечатлен, проникся этой идеей и в итоге стал ее главным пропагандистом в последние десятилетия XX века. В работе, опубликованной в 1971 году, он назвал ее «многовселенская интерпретация квантовой механики», а впоследствии она стала широко известна как многомировая интерпретация (ММИ)[6]. Как бы странно ни звучала идея вечно ветвящихся Вселенных для такого прагматичного физика, она казалась ему куда менее абсурдной, чем представление, будто обычные люди – попросту скопления атомов – играют ключевую роль в функционировании природы. Его продуманная защита идеи, что нужно пойти еще более безумным путем, чтобы объяснить квантовые странности последовательным образом, привлекла широкий интерес к понятию мультивселенной.

Салат из мультивселенных

Удивительно, но термин «мультивселенная» зародился не в мире физики. Это выражение ввел в оборот американский философ и психолог Уильям Джеймс в 1890‐х годах как способ охарактеризовать неоднозначное пространство возможностей, в котором добро невозможно отличить от зла. Около 1970 года писатель-фантаст Майкл Муркок использовал этот термин в совершенно ином контексте. Он представил персонажей с разными аватарами в различных параллельных мирах. Каждый аватар разделяет некоторые, но не все черты характера основного персонажа.

В том же году Девитт статьей в Physics Today впервые привлек внимание широкой общественности к ММИ с ее поражающей воображение картиной альтернативных реальностей, населяющих квантовое состояние Вселенной. Тогда физическое сообщество еще не приняло термин «мультивселенная». Он приживался среди физиков постепенно, когда ростки интереса к идее параллельных миров, отчасти благодаря распространению ММИ, стали, как подснежники, пробиваться в самых разных областях науки.

Как только физики начали использовать это выражение, оно стало еще шире применяться в популярной культуре. Особенно резко популярность этого термина выросла в последнее десятилетие[7]. Все более частое использование этого выражения в кинематографической Вселенной Marvel, включая такие блокбастеры, как «Человек-паук. Нет пути домой» и «Доктор Стрэндж. В мультивселенной безумия», превратило идею из чисто научного понятия в распространенный мем. Признание критиков и рекордное число номинаций на «Оскар» за фильм «Всё везде и сразу», несомненно, еще сильнее укрепили популярность этого термина. Конечно, сейчас только в фантастике – например, в кино, – мы можем представить себе персонажей, стремительно перепрыгивающих из одной Вселенной в другую и сталкивающихся (а зачастую и сражающихся) со своими двойниками. Наука, сосредоточенная на сложных расчетах и формальных доказательствах, не предлагает таких захватывающих сценариев.

Как создать мультивселенную? Позвольте, я перечислю рецепты. А еще лучше, попробуем определить различные концепции, с помощью которых физики выходят за пределы непосредственно наблюдаемого: от многомерных пространств до анклавов Вселенной с особыми физическими свойствами. Некоторые физики пытались классифицировать мультивселенные, пронумеровав их типы. В частности, классификация физика из Массачусетского технологического института Макса Тегмарка включает четыре уровня: два в космологии, третий – ММИ, а завершает список совокупность всех возможных математических структур [8][9].

Однако любая подобная схема нумерации сглаживает различия в представлениях различных физиков о том, какие не поддающиеся непосредственному измерению составляющие теории приемлемы, а какие – абсурдны. Учитывая, что современная физика уже во многом отошла от чистого объективного реализма, барьеры между нормальным и недопустимым не всегда очевидны и среди ученых нет согласия по этому поводу. То, что странно для одних, может быть обыденным для других, а для третьих и вовсе недостаточно странным.

Возьмем, к примеру, идею размерности пространства. Традиционно считается, что мы наблюдаем только три измерения – длину, ширину и высоту. Большинство физиков XIX века покачали бы головой и закатили глаза, услышав разговоры о чем-то еще. В те времена четвертое и более высокие измерения ассоциировались либо с заумной математикой, либо с шарлатанами-медиумами. В самом деле, когда Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, описывающую, что происходит, когда скорость тел приближается к скорости света, он по отдельности рассматривал эффекты такого сверхбыстрого перемещения: сжатие вдоль направления движения в трехмерном пространстве и растяжение временных интервалов. Иными словами, он все еще считал пространство и время двумя различными категориями.

Однако два года спустя математик Герман Минковский нашел гораздо более естественную формулировку специальной теории относительности, предложив объединить пространство и время в четырехмерный пространственно-временной континуум. Он переосмыслил сжатия и растяжения как своего рода повороты в четырех измерениях, которые забирают протяженность у пространства и отдают времени, сохраняя пространство-время в целом неизменным. В четырехмерном мире причудливые эйнштейновские трансформации, напоминающие «Алису в Стране чудес», внезапно обрели более понятный смысл.

Считая четырехмерность слишком заумной, Эйнштейн несколько лет сопротивлялся предложению Минковского, пока уважаемые коллеги не убедили его, что этот математический формализм на самом деле делает его теорию более простой, а не более странной. В дальнейшем он блестяще использовал концепцию четвертого измерения при создании общей теории относительности, опубликованной в 1915 году.