Перекрёстки бесконечных миров. Павел АМНУЭЛЬ

Известно, что истинно научную теорию можно проверить в эксперименте. А предположение о многомирии проверить экспериментом невозможно. Как и опровергнуть. Поэтому для физиков это никакая не физическая теория, а всего лишь философическое измышление. Так считалось лет двадцать назад. В начале 1990‑х годов физики, хотя и обсуждали несколько вариантов «многомирий», но не представляли, как доказать, что существует на самом деле хотя бы один из них. Многомирие получалось, например, в расчётах инфляционной модели Большого взрыва, которую предложил Андрей Линде. Если его предположения и расчёты правильны, то, оказывается, в результате хаотического процесса инфляции, то есть «раздувания» после Большого взрыва, возникает не единственная Вселенная, а великое их множество, они «отпочковываются» друг от друга подобно виноградной грозди. Казалось, что ни доказать, ни опровергнуть это утверждение не удастся никогда: ведь другие вселенные многомирия, по Линде, образуются за пределами нашей, видимой Вселенной!

Однако в 2012 году были опубликованы результаты измерений температуры реликтового излучения в разных точках неба. Неожиданно выяснилось, что это излучение, своего рода отголосок Большого взрыва, не так однородно, как представлялось прежде. Обнаружились странные области с пониженной температурой реликтового фона. Учёные выдвинули гипотезу: наша Вселенная столкнулась с другой, соседней вселенной, результат этого столкновения мы и наблюдаем. Значит, существуют другие вселенные! Значит, многомирие – реальность?

А ведь есть ещё многомирие по Эверетту. Как мы говорили в первой части, когда в природе происходит процесс, имеющий несколько возможных исходов, то реализуется не один вариант (в нашей Вселенной), а все, какие только возможны (но каждый – в своей вселенной). То есть в результате любого физического процесса вселенная ветвится, возникают новые вселенные, которые развиваются своим путём. У многих физиков (а не у физиков – тем более) сложилось мнение, что доказать многомирие по Эверетту невозможно. Точно так, как до недавнего времени считалось, что невозможно доказать многомирие и по Линде. Но выяснилось, что и этот вид многомирия можно обнаружить экспериментально, что и было сделано… больше десяти лет назад! А сегодня теория иных миров позволяет наблюдать то, что, казалось, увидеть невозможно в принципе.

Вот пример.

Как обнаружить чёрную кошку в чёрной комнате, не зная даже, есть ли она там? По идее, нужно или зафиксировать хотя бы один фотон, этой кошкой излучённый (правда, тогда кошка перестаёт быть чёрной, с точки зрения физика), или осветить кошку каким-нибудь излучением (но тогда перестаёт быть чёрной комната, в которой проводятся измерения). В обоих случаях или кошка, или комната перестают быть чёрными, и сам эксперимент теряет смысл.

А можно ли обнаружить местоположение чёрной кошки в чёрной комнате, не получив от неё ни одного фотона – излучённого или отражённого?

Классическая физика даёт на этот вопрос однозначно отрицательный ответ. Однако с появлением квантовой физики, и особенно после работы Хью Эверетта, предположившего существование не одного, а множества ветвящихся миров, ситуация принципиально изменилась. Квантовые законы позволяют узнать, есть ли чёрная кошка в чёрной комнате, и даже более того – выяснить, где именно она находится, не только не касаясь данного животного, но не получив от него ни единого фотона. Мы можем сказать «в нашем мире здесь есть кошка» или «в нашем мире здесь её точно нет», получив информацию из другой ветви эвереттовского многомирия, то есть мы можем узнать о существовании предмета, не имея от него ни единого бита реальной информации, и всё это – благодаря странным свойствам квантового ветвящегося мира.

Метод, с помощью которого можно изучать предмет, никак с ним не соприкасаясь, получил название бесконтактного метода измерений, и учёные, исследующие это удивительное явление, считают, что в будущем вся измерительная техника станет принципиально иной. Возможно это только в том случае, если мы живём в реальном многомирии. В ветвящейся Вселенной.

Здесь надо напомнить, что мысленный эксперимент в физике – такой же метод объективного познания мира, как и эксперимент «материальный», это известно со времён Аристотеля. Так, к примеру, знаменитый опыт Галилея с падением двух тел был именно мысленным, и, несмотря на живописные иллюстрации в старых учебниках, ничего он с башни не сбрасывал. Подобный метод похож на математическое доказательство теоремы «от противного», когда некоторые положения физической модели или схемы сначала отвергаются, а затем схема преобразуется так, что возникает противоречие с тем или иным принципом, который считается безусловно истинным.

Итак, ещё в 1993 году два израильских физика – Авшалом Элицур и Лев Вайдман – описали в статье, опубликованной в солидном издании Found. Physics, интересный мысленный эксперимент.

«Предположим, – сказали они, – что на складе находятся бомбы, половина из которых исправна, а половина испорчена. Нужно отделить исправные бомбы от испорченных. Но есть одна особенность: каждая бомба (неважно – исправна она или нет) снабжена детектором, и если на него попадёт один-единственный фотон, исправная бомба немедленно взорвётся. Неисправная бомба не взорвётся, конечно, но нам-то какая от этого польза, если в результате проверки мы будем иметь только неисправные бомбы, а все исправные взорвутся – ведь невозможно обнаружить что бы то ни было, не направив на предмет луч света или не получив от предмета излучённый им фотон».

Элицур с Вайдманом придумали способ, с помощью которого можно определить, исправна ли бомба, вообще её не касаясь и ни единым фотоном не нарушая её спокойствие.

Для этого они предложили использовать интерферометр Маха-Цандера, в котором наличествуют два зеркала, полностью отражающих падающий на них свет, и два полупрозрачных – половину фотонов эти зеркала пропускают, а половину отражают.

«Давайте, – предложили Элицур и Вайдман, – под одним из зеркал поместим бомбу, о которой мы хотим узнать, исправна она или нет. Запустим в интерферометр один-единственный фотон и посмотрим, что произойдёт».

Фотон может двигаться от зеркала к зеркалу разными путями, и Элицур с Вайдманом рассмотрели, что будет происходить в каждом случае. В конце пути – это легко видеть на схеме – фотон будет зарегистрирован детектором А или детектором В, других возможностей нет. Какой из них сработает, зависит от хода лучей света в каждом конкретном эксперименте.

Не будем подробно разбирать ход лучей и реакцию детекторов: читатели-физики, заинтересовавшись этой проблемой, найдут описание эксперимента в специальной литературе, а остальные, надеюсь, поверят автору в том, что физики-экспериментаторы, взявшиеся за проверку идеи Элицура и Вайдмана, не нашли в ней никаких противоречий. Здесь нам важно увидеть собственными глазами схему устройства, с помощью которого многомирие Эверетта впервые стало предметом физического экспериментирования.

Оказалось, что если Эверетт неправ и многомирия не существует, то нет никакой возможности обнаружить исправную бомбу, направив на неё фотон (бомба непременно взорвётся!). Если же многомирие существует, есть не равная нулю вероятность того, что исправная бомба будет обнаружена и не взорвётся. Точнее: взорваться-то она взорвётся, но не в нашей Вселенной, а в другой, принадлежащей другой ветви многомирия! В нашей же Вселенной взрыва не произойдёт, хотя бомба исправна.

Элицур и Вайдман показали, что, если многомирие существует, то, с вероятностью 25 процентов, единственный фотон обнаружит исправную бомбу, не взорвав её.

Коллеги, тщательно изучившие мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана, не нашли в их анализе противоречий или ошибок и вынуждены были признать: да, если многомирие существует, то можно получить информацию о предмете, никак его не касаясь! Но… только в четверти случаев. Хорошая, казалось бы, идея, но ведь в трёх случаях из четырёх бомба всё равно взорвётся, и только о каждой четвёртой бомбе мы будем знать, что она исправна, не коснувшись её взрывателя. Не очень большая эффективность…

Важен, однако, принцип – с помощью эксперимента Элицура-Вайдмана можно экспериментально доказать существование многомирия!

Кроме того, если в многомирии возможно что-то измерять, никак с предметом не контактируя, то наверняка существуют и способы увеличить вероятность нужного измерения.

Однако прежде предстояло осуществить мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана на практике и доказать экспериментально, что хотя бы в четверти случаев можно что-то измерять, ничего не измеряя. Увидеть, не видя, и доказать, что Эверетт прав.

В 1994 году такой эксперимент был поставлен Полом Квятом из университета в Инсбруке (сейчас Квят – член совета Оппенгеймеровской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) и Томасом Герцогом из Женевского университета. Они действительно использовали для опытов интерферометр с четырьмя зеркалами. Правда, вместо бомбы взяли всё же обычное зеркало – не взрывать же установку, а с ней и всю лабораторию, в трёх случаях из четырёх, если Элицур с Вайдманом правы!

И всё получилось так, как предсказывали израильские физики. В каждом четвёртом эксперименте Квят зафиксировал присутствие зеркала, хотя фотон этого зеркала не касался! Таким образом, многомирие по Эверетту получило подтверждение.

Квят и его сотрудники сделали, однако, и следующий шаг. Если удлинить схему, – рассуждали физики, – и поставить восемь зеркал вместо четырёх, то вероятность зафиксировать детектором присутствие невидимой бомбы (зеркала) должна, согласно теоретическим выкладкам, увеличиться вдвое и достичь 50 процентов. То есть, в таком эксперименте «исправную бомбу» можно обнаружить, не касаясь её взрывателя-зеркала, в каждом втором случае. Правда, сам процесс наблюдений при этом усложнялся, но это уже технические детали.

Физики построили новую установку и действительно довели количество «обнаружений исправной бомбы» до половины.

И это всё? Это тот максимум, на который могут рассчитывать экспериментаторы, пытаясь увидеть невидимое? Квят полагал, что – да, большего достичь не удастся. Его скептицизм развеял Марк Казевич из Стенфордского университета. Во время своего пребывания в Инсбруке Казевич обсудил с Квятом самые разные варианты экспериментов, и учёные пришли к потрясающему (пока только в мысленном эксперименте!) заключению: в принципе, можно построить такую установку, где вероятность обнаружения «бомбы», никак её не касаясь, окажется сколь угодно близка к 100 процентам! То есть не существует, по идее, никаких природных ограничений для создания аппаратуры, которая, например, давала бы изображение реального предмета, никак его при этом не освещая и не получая от него никакой информации!

Природных (физических) ограничений не было, но технические существовали, конечно. И для следующего своего эксперимента Квят с сотрудниками (в числе которых был теперь и Казевич) построили установку, работавшую на другом принципе и использовавшую не просто отражающие и наполовину поглощающие зеркала, а зеркала, меняющие поляризацию падающих на них фотонов. Установка значительно усложнилась, но уже предварительные результаты опытов, проведённых в лаборатории в Лос-Аламосе, показали: вероятность обнаружения необнаружимого составляет 70 процентов. Квят и его сотрудники доказали (это было ещё в середине 1990‑х годов), что более двух третей физических измерений могут быть бесконтактными.

Можно обнаружить чёрную кошку в чёрной комнате, даже не зная, есть ли в комнате кошка!

Но и две трети правильных ответов – не такой уж надёжный результат. Ведь в мысленном эксперименте надёжность бесконтактных измерений была уже доведена чуть ли не до 100 процентов. А в реальности – разве достаточно сказать, что взорвутся при проверке не три бомбы из четырёх, а только одна из трёх? Одна бомба всё равно разнесёт установку. Значит, практическое применение бесконтактных измерений невозможно?

Обратите внимание: речь уже не шла о том, существует ли многомирие по Эверетту, или это красивая, но бесполезная гипотеза. Конечно, многомирие существует. Задача теперь была – как использовать многомирие на практике?

В физике часто случается так, что быстро преодолеваются первые, не самые трудные, препятствия, а потом тянутся годы (порой – десятилетия), пока удаётся добиться надёжного, применимого на практике эффекта.

Прошло чуть более десяти лет – и сегодня в реальных экспериментах (группы японских учёных Цегая и Намикаты) удаётся бесконтактным способом обнаружить до 88 процентов невидимых объектов, которых не коснулся ни один фотон. Это не полная надёжность, какой хотят добиться физики, но дорога ещё не пройдена до конца, и сейчас учёные убеждены: в ближайшие двадцать-тридцать лет бесконтактные методы измерений будут применяться во множестве областей человеческой деятельности: в фотографии, например, в рентгеноскопии (не придётся больше стоять под вредным для здоровья излучением рентгеновской установки), в создании квантовых компьютеров.

Тем временем бразильские учёные Сант-Анна Адонаи и Буэно Оттавио обобщили метод Элицура-Вайдмана и описали эксперимент, в котором для бесконтактных измерений используют не фотоны, а волны де Бройля, то есть волны, связанные с любыми микрочастицами и отражающие их волновую природу. И этот вариант ещё более расширяет область бесконтактных измерений.

Пол Квят назвал метод бесконтактных измерений квантовой магией. Это действительно похоже на магическое действо: способность видеть, не видя. Но на самом деле все необходимые идеи и возможности были уже заложены в квантовой физике, ведь природа квантовых измерений известна с тридцатых годов прошлого века, а теория Эверетта появилась в 1957 году – более полувека назад. «Но только недавно, – писал Квят в своей статье в Scientific American ещё в 1995 году, – физики начали применять эти идеи, чтобы открыть новые феномены в квантовом информационном процессе, включая и возможность видеть в темноте».

Мы живём в многомирии – блестящие эксперименты Квята, Цегая, Намикаты, Адонаи и Оттавио доказали это вполне определённо.

Экспериментальная физика своё слово сказала. Но осталась ещё одна проблема: философская и теологическая. Монотеистические религии утверждают: Бог един. Что же создал Он во время шести дней Творения? Одну Вселенную? Множество? Согласуется ли идея многомирия с религиозными представлениями о Мироздании? Что говорят о многомирии современные теологи?

Об этом – в заключительной статье.