Многомировая интерпретация Эверетта для самых маленьких⁠⁠

Порой встречаю в сети (в частности, здесь на Пикабу) непонимание многомировой интерпретации квантовой механики, она же интерпретация Эверетта. В то же время мне кажется, что это самая простая, естественная и логичная интерпретация. Здесь я попробую объяснить ее совсем на пальцах, простыми словами и с рисунками в пейнте, но и, по возможности, без грубых ошибок из-за переупрощения. Понятия из квантовой механики я буду выделять жирным шрифтом. Поехали.

Давным-давно, в Вене, в самой обычной австрийской семье жил самый обычный мальчик по имени Эрвин. И не просто жил, но и работал лаборантом в нашей с вами лаборатории. И так бы он и остался никому не известным обычным мальчиком, если бы в один прекрасный день не принял судьбоносное решение. Он решил во благо науки рискнуть жизнью собственного кота. Выглядело это как-то так:

Экспериментальная установка была простой: кот сажается в коробку. В эту же самую коробку кладется ампула с ядом (с синильной кислотой, уточнение специально для лиги зануд), небольшое количество радиоактивного вещества, таймер, счетчик Гейгера и специальное устройство. Это специальное устройство подключено к таймеру и счетчику Гейгера. Если за отведенное время счетчик Гейгера показывает количество распадов атомов радиоактивного вещества, превышающее пороговое, то специальное устройство разбивает ампулу с ядом. Порог срабатывания подобран таким образом, чтобы вероятность срабатывания составляла 50%.

Иными словами, поведение установки действительно случайно и непредсказуемо. С одинаковой вероятностью ампула как будет разбита, так и останется целой. После открывания коробки, кот в ней с вероятностью 50% окажется живым, а с вероятностью 50% - мертвым.

Собственно, на примере этого эксперимента уже можно начать понимать некоторые понятия квантовой механики.
Каждая квантовомеханическая система (в нашем случае - система из одного объекта: кота) находится в каком-то состоянии. Описание текущего состояния квантовомеханической системы производится с помощью волновой функции. Физический смысл этой функции довольно прост: для каждого чистого состояния мы записываем коэффициент, квадрат модуля которого равен вероятности наблюдать систему в этом состоянии. Почему именно квадрату? Так математика удобнее сходится. Там вообще-то фаза еще есть, но эти мелочи нам не важны сейчас.

У нас есть два чистых состояния системы: кот жив и кот мертв. Мы обозначим их |🐱> и |🙀>, соответственно. А состояние суперпозиции, когда кот сидит в коробке ни жив ни мертв, тогда будет 1/√2(|🐱> + |🙀>). Один разделить на корень из двух - это просто число, квадрат модуля которого равен 1/2, и потому обозначает, что вероятность того, что кот жив, равна 1/2, как и вероятность того, что кот мертв.

До открытия коробки кот находится в смешанном состоянии 1/√2(|🐱> + |🙀>). Когда же мы открываем коробку и заглядываем внутрь, происходит измерение, приводящее к разрушению суперпозиции, или, что то же самое, коллапсу волновой функции - она схлопывается из смешанного состояния в одно из чистых (|🐱> или |🙀>).

В этот момент внимательный читатель воскликнет: "Стоп-стоп! Мне кажется, ты втираешь какую-то дичь! Во-первых, что такое "измерение"? А если я только одним глазком подсмотрю? А если я коробку открывать не буду, а просвечу ее рентгеном? Во-вторых, что это за магический "коллапс волновой функции"? А если я издалека посмотрю, то что, это я таким образом быстрее скорости света поменяю состояние потенциально огромной области пространства? Ну а в-третьих, это вообще не многомировая интерпретация, а копенгагенская!"

И читатель будет прав. Описанная выше интерпретация квантовой механики - копенгагенская - проста для поверхностного понимания, но вводит некоторые понятия, которые при ближайшем рассмотрении кажутся очень странными, контрынтуитивными и не помогают строить рассуждения. Этим она многим и не нравится, и поэтому мы и хотим что-нибудь получше - а именно, многомировую интерпретацию. Но сначала нам нужно рассмотреть еще одно понятие из квантовой механики, поэтому мы проведем еще несколько экспериментов.

Во втором эксперименте возьмем двух котов и посадим их в две коробки, со всей той же машинерией, что и раньше. Теперь в нашей квантовомеханической системе два кота и четыре чистых состояния: |🐱🐱>, |🐱🙀>, |🙀🐱> и |🙀🙀>. А смешанное состояние, когда оба кота ни живы, ни мертвы (или, что то же самое, каждое из четырех состояний имеет вероятность 1/4), будет 1/2 (|🐱🐱> + |🐱🙀> + |🙀🐱> + |🙀🙀>). Заметим, что справедливо следующее математическое выражение:
1/2 (|🐱🐱> + |🐱🙀> + |🙀🐱> + |🙀🙀>) = 1/√2(|🐱> + |🙀>) * 1/√2(|🐱> + |🙀>).
То есть, наше смешанное состояние большой системы (состоящей из двух котов) раскладывается в произведение состояний маленьких систем по отдельности. Такие системы называются не запутанными.

Попробуем теперь сделать запутать наших котов. Чтобы сделать это, проделаем в стенке между коробками дверцу, и откроем ее, прежде чем открывать коробки. Если хотя бы один кот был отравлен, то и второй тоже умрет.

Что мы видим в этом эксперименте? Сначала система находилась в состоянии 1/2(|🐱🐱> + |🐱🙀> + |🙀🐱> + |🙀🙀>), как и в прошлый раз. Потом мы открыли дверцу, и состояния, когда умер только лишь один из двух котов, превратились в состояние, когда они умерли оба. То есть, система перешла в состояние 1/2|🐱🐱> + √3/2|🙀🙀>. Мы помним, что квадрат модуля коэффициента перед состоянием - это вероятность наблюдать систему в этом состоянии, то есть, наши коты с вероятностью 1/4 оба живы и с вероятностью 3/4 оба мертвы. Ну и, открыв коробку, мы, как и в прошлый раз, сколлапсировали волновую функцию в одно из базовых состояний.

В отличие от предыдущего эксперимента, здесь состояние 1/2|🐱🐱> + √3/2|🙀🙀> не раскладывается в произведение каких-нибудь состояний отдельных котов. То есть, наши коты запутаны. Мы смогли этого добиться благодаря тому, что они провзаимодействовали друг с другом при открытии дверцы между коробками.

Ну и самый последний эксперимент. Пусть наш лаборант-живодер Эрвин, раз такой смелый, сам полезает в коробку и повторит в ней первый эксперимент, а мы посмотрим.

Эрвин равновероятно находится или в радостном состоянии (|😃> ), или в грустном (|😢>). Кот тоже равновероятно или жив (|🐱>), или мертв (|🙀>). Все вместе это задается состоянием суперпозиции 1/2(|😃🐱> + |😃🙀> + |😢🐱> + |😢🙀>). Как легко заметить, Эрвин и кот не запутаны.
Когда же Эрвин открывает коробку с котом и заглядывает в нее (то есть, когда в первом эксперименте у нас происходило измерение и коллапс волновой функции), это приводит к их запутыванию. После открытия коробки у нас либо Эрвин рад, а кот жив, либо Эрвин грустен, а кот мертв, то есть, состояние системы 1/√2(|😃🐱> + |😢🙀>).

Собственно, здесь мы и приходим к ключевым моментам многомировой интерпретации квантовой механики. Нет измерений и нет коллапса волновой функции, равно как и нет мгновенного изменения состояния удаленных друг от друга систем. То, что копенгагенская интерпретация называет "измерением" - это всего лишь запутывание наблюдателя с объектом его измерения. Разумеется, если он с ним запутался, то в каждой из веток волновой функции (в данном случае - |😃🐱> и |😢🙀> по отдельности) нет смысла делать повторные измерения, так как они приведут к тому же самому наблюдаемому результату (то есть, с точки зрения Эрвина, наблюдателя, наблюдается коллапс волновой функции).
"Мирами" в этой многомировой интерпретации иногда называют ветви волновой функции. Мол, у нас есть один мир, где Эрвин рад и кот жив, и другой мир, где Эрвин грустен и кот мертв. Какой из них более реален? Да никакой, они одинаково реальны или нереальны, пока мы большую коробку не откроем (и уже сами не запутаемся с Эрвином и котом).

Достоинство многомировой интерпретации квантовой механики, на мой взгляд, в том, что она отвечает на вопросы, которые остаются у читателя, осознавшего копенгагенскую интерпретацию. Причем отвечает достаточно полно и по существу, не приводя к новым вопросам. Ну а недостаток в том, что слово "многомировая" из названия ассоциируется с какими-то путешествиями между вселенными и прочей антинаучной дичью.

Надеюсь, кому-нибудь это было интересно, если остались вопросы - пишите