Многомировая интерпретация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Многомировая интерпретация (ММИ, MWI) — это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Многомировая интерпретация отказывается от недетерминированного коллапса волновой функции, который сопутствует измерению в копенгагенской интерпретации. Многомировая интерпретация обходится в своих объяснениях только явлением квантовой запутанности и совершенно обратимой эволюцией состояний. Для объяснения эффектов, происходящих при измерении, привлекается явление декогеренции, которая происходит, когда состояния взаимодействуют с окружающей средой.

[править] Очерк

Хотя со времени выхода оригинальной работы Эверетта уже было предложено несколько новых версий ММИ, всем им свойственно два основных момента. Первый состоит в существовании функции состояния для всей Вселенной, которая всё время подчиняется уравнению Шрёдингера и которая никогда не испытывает недетерминированного коллапса. Второй момент состоит в предположении, что это вселенское состояние является квантовой суперпозицией нескольких (а возможно, и бесконечного числа) состояний одинаковых невзаимодействующих между собой параллельных вселенных.

Идеи ММИ берут начало в диссертации Хью Эверетта из Принстона, написанной под руководством Джона Уилера, а сам термин «многомировая» обязан своим существованием Брюсу Девитту, который развил тему оригинальной работы Эверетта. Формулировка Девитта стала настолько популярной, что её часто путают с исходной работой Эверетта.

ММИ является одной из многих многомировых гипотез в физике и философии. На сегодняшний день она является одной из ведущих интерпретаций, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.

[править] Много миров и проблема интерпретации

Как и другие интерпретации, многомировая призвана объяснить традиционный двухщелевой эксперимент. Когда кванты света (или другие частицы) проходят через две щели, то чтобы рассчитать, куда они попадут, требуется предположить, что свет обладает волновыми свойствами. Хотя в то же время, если кванты регистрируются, то они всегда регистрируются в виде точечных частиц, а не в виде размытых волн. Чтобы объяснить переход от волнового поведения к корпускулярному, копенгагенская интерпретация вводит процесс так называемого коллапса.

К тому моменту, как Фон Нейман написал в 1932 г. свой знаменитый трактат Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik, явление «коллапса волновой функции» было встроено в математический аппарат квантовой механики в виде постулата, что существуют два процесса, при которых волновая функция изменяется:

Скачкообразное случайное изменение, вызываемое наблюдением и измерением
Детерминированная эволюция со временем, подчиняющаяся уравнению Шрёдингера

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией для (1), является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Докторская работа Эверетта как раз и предлагала подобную альтернативу. Эверетт предложил считать, что для составной системы (каковой является частица, взаимодействующая с измерительным прибором) утверждение о том, что какая-либо подсистема находится в определённом состоянии, является бессмысленным. Это привело Эверетта к заключению об относительном характере состояния одной системы по отношению к другой.

Формулировка Эверетта, приводящая к пониманию процесса коллапса волновой функции, происходящего при измерении, математически эквивалентна квантовой суперпозиции волновых функций. Поскольку Эверетт прекратил заниматься теоретической физикой вскоре после получения степени, дальнейшее развитие его идей проводили другие исследователи.

[править] Краткий обзор

В формулировке Эверетта, измерительный прибор M и объект измерения S образуют составную систему, каждая из подсистем которой до измерения существует в определённых (зависящих, конечно, от времени) состояниях. Измерение рассматривается как процесс взаимодействия между M и S. После того, как между M и S произошло взаимодействие, более нет возможности описывать каждую из подсистем при помощи независимых состояний. Согласно Эверетту, любые возможные описания должны быть относительными состояниями: например, состояние M относительно заданного состояния S или состояние S относительно заданного состояния M.

Схематическое представление двух «наименьших возможных» квантовомеханических систем перед измерением: измеряемой системы S и измерительного прибора M. Системы типа S называется однокубитными системами.

В формулировке Девитта, состояние S после измерения есть квантовая суперпозиция альтернативных историй S.

Давайте рассмотрим самую простую возможную квантовую систему S, как показано на картинке. Эта картинка описывает, например, спиновое состояние электрона. Выберём определённую ось (например, ось z) и предположим, что северный полюс обозначает спин «вверх», а южный полюс — спин «вниз». Все возможные суперпозиции состояний описываются так называемой сферой Блоха (её поверхностью). Чтобы провести измерения над S, её надо привести во взаимодействие с другой аналогичной системой — M. После взаимодействия составная система описывается состоянием, существующем в шестимерном пространстве (причина того, что измерений шесть объясняется в статье про сферу Блоха). Этот шестимерный объект можно представить в виде суперпозиции двух «альтернативных историй» системы S, в одной из которых наблюдался результат измерения «вверх», а в другой — «вниз». Каждое последующее двоичное измерение (каковым является взаимодействие с системой M) вызывает аналогичное разветвление исторического дерева. Таким образом, после трёх измерений, систему можно рассматривать как квантовую суперпозицию 2х2х2 = 8 копий исходной системы S.