Квантовая ересь Хью Эверетта

Виталий Мацарский
«Троицкий вариант — Наука» №4(423), 25 февраля 2025 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Неладно что-то в датском королевстве...

Виталий Мацарский

Уж если такая неповоротливая махина, как ООН, решила провозгласить 2025 год «Международным годом квантовой науки и технологий» в ознаменование столетия создания квантовой механики, то и нашему оперативному изданию никак нельзя оставаться в стороне.

Не вызывает сомнений, что квантовая механика (далее КМ) есть фундаментальная наука, достигшая небывалой точности при сравнении ее предсказаний с экспериментом. Благодаря ей создаются все эти великолепные современные устройства, называемые красивым русским словом «гаджеты». Удалось добиться квантовой телепортации, применяется квантовая криптография, всё реальнее становится квантовый компьютер огромной производительности. Казалось бы, раз удается делать все эти вещи, то с КМ всё ясно, специалисты понимают, как она работает. Увы, оказывается, что это не так. По меткому выражению Алексея Семихатова¹, КМ ведет себя как оракул — правильный и точный результат выдает, а как это делается, не сообщает.

Весьма популярно высказывание Ричарда Фейнмана о том, что КМ не понимает никто, и приписываемое ему же выражение «заткнись и вычисляй», более похожее на лозунг и подразумевающее, что негоже рассуждать о смысле КМ, надо просто работать. Но многим всё же хотелось бы не только заниматься вычислениями, но и понимать их смысл. То есть нужно КМ как-то интерпретировать.

Казалось бы, такая потребность давным-давно удовлетворена самим великим Нильсом Бором и его соратниками — они дали так называемую копенгагенскую интерпретацию, которая долгое время устраивала почти всех. При жизни он пользовался непререкаемым авторитетом; его мудростью восхищались. Так, например, ученик и соавтор Бора, крупный американский физик Джон Арчибальд Уилер в воспоминаниях о нем писал, что по мудрости он не уступал Конфуцию и Будде, Иисусу и Периклу, Эразму и Линкольну. В 1930–1940-е годы копенгагенская интерпретация царила настолько безраздельно, что видный историк КМ Макс Джеммер назвал ее «монократией».

Одним из первых на монократию осмелился посягнуть молодой американский физик Дэвид Бом, которого Эйнштейн хотел взять себе ассистентом (о его трудной судьбе можно прочитать² в одном из прежних номеров нашей газеты).

За Бомом последовали и другие несогласные с интерпретацией Бора и его сторонников. Как выразился Джон Белл, позднее внесший огромный вклад в КМ, они не захотели «сидеть у ног Бора». Джон Белл известен своими неравенствами, объяснять смысл которых здесь вряд ли уместно. Достаточно сказать, что экспериментальная проверка их нарушения подтвердила отсутствие в КМ скрытых параметров, подозревавшихся некоторыми, в том числе Бомом, и принесла авторам экспериментов Нобелевскую премию за 2022 год (и это награждение было, естественно, освещено³ на страницах ТрВ-Наука). До несомненно заслуженной Нобелевки Белл, увы, не дожил. Он скончался в 1990 году.

Некоторые жаловались, что им надоело без конца выслушивать «воскресные проповеди» Бора, и стали предлагать свои интерпретации. Сейчас их известно больше дюжины. Одна из них, пожалуй, вызывает больше всего споров. Ее предложил в своей диссертации молодой американец Хью Эверетт III (1930–1982). Истории появления его теории и связанным с ней перипетиям и посвящена эта заметка.

Двойственный подход

Хью Эверетт в 1964 году (ucispace.lib.uci.edu)

Уже в возрасте двенадцати лет Эверетт осмелился написать письмо Эйнштейну, в котором спрашивал, случайны ли законы мироздания или же за ними стоит некая организующая сила. Эйнштейн ответил, что эту проблему придумал упрямый мальчик, создав себе трудности, чтобы их преодолеть. Как видно, уже тогда Эверетт задумался о роли случайности в законах природы.

Повзрослев, Хью поступил на инженерно-химический факультет частного Католического университета в Вашингтоне. Чем был вызван выбор именно этого учебного заведения, неясно, поскольку его дальнейшая жизнь и поступки показали, что библейские ценности не произвели на него должного впечатления. Возможно, университет просто находился недалеко от дома.

По окончании университета Эверетт благодаря полученной от Национального научного фонда стипендии поступил в аспирантуру Принстонского университета, где занялся недавно появившейся новой областью прикладной математики — исследованием операций. Кроме того, он прослушал вводный курс КМ, прочитанный Робертом Дикке, который в середине 1960-х годов вместе с коллегами идентифицировал случайно обнаруженное загадочное всепроникающее космическое излучение как микроволновый фон, дошедший до нас от Большого взрыва.

Постепенно Хью стал всё больше склоняться к физике и записался на курс лекций по матфизике, который читал один из крупнейших физиков того времени, в скором будущем нобелевский лауреат Юджин Вигнер. Вне круга коллег он был широко известен как автор эссе «Непостижимая эффективность математики в естественных науках»⁴. Помимо физики Хью не переставал заниматься исследованием операций, в частности, ее военными применениями. Но больше всего Эверетта привлекала квантовая механика, и именно ее он выбрал в качестве темы своей диссертации, которую стал писать под руководством Джона Уилера.

Уилеру было не впервой руководить аспирантами со способностями выше средних. За 15 лет до Эверетта его аспирантом был Ричард Фейнман. Темой у него также была КМ, которую он построил, исходя из принципа наименьшего действия, а также предложил очень продуктивный метод интегралов по траекториям. (Об основоположнике принципа наименьшего действия, «идеальном мушкетере» Пьере Луи Мопертюи, тоже можно прочитать⁵ в нашей газете.)

Четыре поколения Эвереттов: Хью-старший, Хью-младший, Хью Третий и Элизабет. Фото из семейного архива Эвереттов. 1957 год

Представленная в марте 1957 года в Принстонский университет диссертация Эверетта занимала 137 страниц и называлась «Об основаниях квантовой механики». (По ходу работы название несколько раз менялось.) В ней он прежде всего подверг критике ортодоксальную копенгагенскую интерпретацию. Его особенно раздражала зависимость КМ от классической физики.

Согласно представлениям копенгагенской школы, мир делится на классическую и квантовую части. В квантовом мире действует принцип неопределенности Гейзенберга, и этим миром правит волновая функция Шрёдингера. Узнать, что там делается, можно, лишь проведя серию измерений классическим прибором в строго контролируемых условиях. В результате измерения волновая функция загадочным образом претерпевает коллапс — из всех возможных значений приобретает единственное, которое и регистрирует прибор. Для получения полной картины Бор предложил принцип дополнительности — квантовая картина должна дополняться классической.

Эверетт не понимал, как можно придерживаться такого двойственного подхода: признавать реальность только за классическим миром и отказывать в реальности миру квантовому. По его представлениям, квантовым был весь мир, ведь измерительный прибор тоже состоял из атомов, подчинявшихся законам КМ. Как же можно было проводить границу между классическим и квантовым мирами? И где ее проводить?

Эти вопросы мучили не только его, ими задавались и многие другие, но в большинстве своем предпочитали в них не вдаваться, полагая, что они относятся скорее к философии или психологии, чем к физике. Почему они так поступали, можно догадаться по цитате из книги «Математические основы квантовой механики» ее выдающегося теоретика Джона фон Неймана: «Фундаментальным требованием научного подхода является так называемый принцип психофизического параллелизма, то есть возможность описывать внефизический процесс субъективного восприятия так, как если бы он являлся реальностью в физическом мире — т. е. признается возможность приписать ее частям эквивалентные физические процессы в объективном окружении, т. е. в обычном пространстве»⁶.

В своей диссертации Хью предложил формализм, отвечавший его воззрениям. Ее окончательный, одобренный его руководителем Джоном Уилером вариант назывался «Об основаниях квантовой механики». Но еще до представления диссертации Эверетт в 1956 году написал работу «Волновая механика без вероятностей».

Ветвящийся мир

Интерпретация Эверетта настолько понравилась Уилеру, что он решил послать эту работу Бору и обсудить ее с ним лично, хотя направлять аспирантскую работу корифею было не принято. Правда, такой прецедент уже имелся. В 1924 году Эйнштейн прочитал диссертацию аспиранта Луи де Бройля, где тот предложил присваивать каждой частице некую волну-лоцман, направляющую ее движение. Эйнштейн высоко оценил эту работу, хотя позднее от идеи де Бройля пришлось отказаться.

Уилер ко времени подготовки диссертации Эвереттом стал всерьез интересоваться общей теорией относительности (ОТО) и космологией, которыми тогда занимались очень немногие. Он надеялся, что идеи Эверетта помогут понять, как быть с делением на классический и квантовый миры в масштабах всей Вселенной. Ведь наблюдатель со своим классическим прибором никак не мог помещаться за пределами Вселенной, чтобы изучать ее квантовый мир. Совместить ОТО и КМ тогда оказывалось совершенно невозможно, и построить теорию квантовой гравитации, на что надеялся Уилер, было бы нельзя. А вот формализм Эверетта не допускал никакой границы между классическим и квантовым мирами. Мир был только один — квантовый. Классический мир вырастал из него. Никакого загадочного коллапса волновой функции не возникало. Мир расщеплялся, ветвился. Каждый из миров обладал своей реальностью, чуть отличной от других. Расщепившиеся миры были принципиально не наблюдаемы из других миров. Волновая функция относилась ко всей Вселенной. Эверетт дал ей название универсальной, т. е. вселенской, функции.

В 1956 году с черновиком работы «Волновая механика без вероятностей» Уилер приехал к Бору в Копенгаген и вскоре написал Эверетту: «Мы обсуждали ее трижды... Резюмируя скажу, что ваш прекрасный формализм волновой функции остается непоколебимым, но мы согласились, что главная проблема — слова, которыми следует описывать величины в формализме. Мы полагаем, что возникнет масса недоразумений с физикой, если радикально не поменять слова, которыми описывается формализм».

Коллеги Бора подвергли идеи Эверетта уничтожающей критике, назвав их незрелыми и незавершенными. Реакция Бора не удивляет. Более удивительно, что Уилер мог надеяться убедить его в интерпретации Эверетта, поскольку сам считал ее ценной и важной. Похоже, он пытался уговорить себя в том, что идеи Эверетта не ставят под сомнение проблему измерения, а лишь обобщают ее, тогда как сам Эверетт называл подход Бора «философским чудовищем».

Всё еще находившийся в Европе Уилер убеждал Эверетта самому съездить в Копенгаген к Бору и попытаться изменить его мнение. Зная Бора, он полагал, что на это уйдет не меньше трех месяцев, и обещал оплатить часть расходов из своих фондов, надеясь, что остальное заплатит Бор, но из этого ничего не вышло. Во второй половине 1956 года Эверетт подал свою диссертацию в Принстонский университет и начал работать на Пентагон, в группе оценки систем вооружений. Официально он стал доктором наук в апреле 1957 года с оценкой диссертации «очень хорошо».

Трудно сказать, по какой причине он пошел работать на генералов. Возможно, причин было несколько. Его обучение в аспирантуре частично оплачивалось военным ведомством, и оно могло потребовать потом поработать на войну. Кроме того, работа в Пентагоне освобождала от обязательного призыва в армию, не говоря уж об очень приличном окладе. И, наконец, по реакции на свои работы он мог понять, что с его «завиральными» идеями в науке ему ничего не светит.

Критика была суровой

Обычно основные результаты диссертации публикуют в виде статьи в научном журнале. По настоянию Уилера так поступил и Эверетт. В июле 1957 года в Reviews of Modern Physics появилась его статья на 36 страницах «Формулировка квантовой механики через „соотнесенные состояния“»⁷.

Статья оставляет довольно странное впечатление. В первом же абзаце автор заявляет, что он намерен облегчить решение некоторых серьезных проблем квантовой гравитации. «Эта работа имеет целью прояснить основания квантовой механики. В ней по-новому формулируется квантовая теория в виде, который представляется наиболее приемлемым для применения в общей теории относительности».

Затем следуют оправдания: «Цель состоит не в том, чтобы отказаться или противоречить традиционной формулировке квантовой теории, продемонстрировавшей свою полезность в колоссальном количестве самых различных проблем, а в том, чтобы предложить новую, более общую и полную формулировку, из которой можно вывести традиционную формулировку».

Эверетт со своей дочкой Лиз. Начало 1960-х годов

Позднее Уилер признавался, что Хью не очень хотел писать эту статью, и ему пришлось сидеть рядом, диктуя каждое слово. Особенно тщательно Уилер следил за тем, чтобы нигде не встречалось слово split (расщепление). Но Эверетт перехитрил своего руководителя. При корректуре он добавил сноску, в которой ясно изложил, как происходит «расщепление» наблюдателей и почему они этого не ощущают. Он даже припомнил Коперника, которого попрекали за противоречие здравому смыслу, поскольку движение Земли тоже никто не ощущал.

Видимо, опасаясь, что работа Эверетта не произведет должного впечатления, Уилер сразу за ней опубликовал свою статью⁸, в которой аккуратно подчеркивал важность идей Хью. Он писал: «Предыдущая статья представляет принципы квантовой механики в новой форме. Традиционная математическая формулировка... выводится как следствие новой „мета“ квантовой механики».

Но усилия Уилера оказались тщетны. Критика была суровой. Многолетний ассистент Бора Леон Розенфельд писал коллеге в 1959 году вскоре после короткого и неудачного визита Эверетта в Копенгаген для обсуждения своих идей лично с Бором: «Работа Эверетта <...> страдает от фундаментального непонимания, которому подвержены все „аксиоматизаторы“ какой-либо области физики».

Через несколько лет в другом письме он выразился еще резче. «Что касается Эверетта, то ни у меня, ни тем более у Бора не хватило терпения выслушивать его в Копенгагене, когда он пытался продать нам свои безнадежно дурацкие идеи, которым очень неразумно потакал Уилер. Эверетт был невообразимо туп, и в квантовой механике не понимал самых элементарных вещей».

Вскоре и Уилер стал потихоньку отдаляться от Эверетта. Он как-то сказал, что не то, чтобы совсем разочаровался в его идеях, но согласен с ними не чаще раза в неделю, по вторникам. Сам Эверетт полностью отошел от КМ и, несмотря на робкие призывы Уилера, наотрез отказывался вернуться в академическое сообщество, предпочитая «длинный доллар» Пентагона.

Пригоршня праха

Некоторое время об идеях Эверетта мало кто вспоминал, пока в журнале Physics Today не появилась статья⁹ известного физика Брайса Де́витта, вызвавшая большой резонанс. Позднее он впервые опубликовал длинную диссертацию Эверетта, работы, напечатанные в Reviews of Modern Physics, и несколько других статей, в том числе собственных¹⁰. Сейчас ChatGPT на просьбу перечислить наиболее популярные интерпретации КМ многомировую интерпретацию Эверетта выдает второй после копенгагенской.

Хью Эверетт у себя дома в последние годы жизни. Фото из семейного архива Эвереттов

Остается лишь добавить несколько слов о Хью как о личности. Похоже, что человеком он был малосимпатичным, читать его биографию¹¹ тяжело. В Пентагоне он занимался тем, что рассчитывал оптимальные способы нанесения максимального урона вражеской державе, т. е. СССР, определяя, сколько атомных бомб и куда нужно сбросить. Раз попытался покончить с собой. К женщинам относился с презрением, своими детьми совершенно не интересовался, как и его жена. Его дочь Лиз почти постоянно была в депрессии, употребляла наркотики. Младший брат Марк нашел ее на полу в ванной рядом с пустым пузырьком снотворного. Ее успели откачать. Вернувшийся из больницы Марк обнаружил отца сидящим на диване с журналом Newsweek. Оторвавшись от чтения, он произнес: «Не знал, что Лиз так грустно».

В конце 1970-х на Хью навалились финансовые проблемы. Он курил по три пачки в день, всё больше пил. Утром 19 июля 1982 года Марк нашел отца лежащим на кушетке полностью одетым. Хью Эверетт скончался от сердечного приступа в 51 год. По словам Марка, он тогда коснулся отца чуть ли не первый раз в жизни. Вдова хранила его пепел несколько лет, а потом всё-таки выполнила волю Хью — выбросила прах в мусорный бак.

Возможно, в других ответвлениях Вселенной судьба Эверетта сложилась иначе, но задаваться этим вопросом бессмысленно, ведь другие миры, согласно его учению, для нас принципиально не наблюдаемы.

¹ Алексей Семихатов. Сто лет недосказанности. — М.: Альпина нон-фикшн, 2024.

² Виталий Мацарский. Дэвид Бом: «белая ворона» в физике и в жизни // «Троицкий вариант» №19(363), 04.10.2022.

³ Интервью Бориса Штерна со Станиславом Страупе. Нобелевская премия по физике. Бог всё-таки играет в кости // «Троицкий вариант» №20(364), 18.10.2022.

⁴ Е. Вигнер. Непостижимая эффективность математики в естественных науках. УФН, 1968, т. 93, с. 535–546.

⁵ Виталий Мацарский. Мушкетер наименьшего действия // «Троицкий вариант» №15(309), 28.07.2020.

⁶ von Neumann J. Mathematical Foundations of Quantum Mechanics. Translated by R. T. Beyer. Princeton University Press, 1955.

⁷ Everett H. (1957) «Relative State» Formulation of Quantum Mechanics // Reviews of Modern Physics, 29(3), 454–462. doi: 10.1103/revmodphys.29.454.

⁸ Wheeler J. A. (1957) Assessment of Everett’s «Relative State» Formulation of Quantum Theory // Reviews of Modern Physics, 29(3), 463–465. doi: 10.1103/revmodphys.29.463.

⁹ DeWitt B. S. (1970) Quantum mechanics and reality // Physics Today, 23(9), 30–35. doi: 10.1063/1.3022331.

¹⁰ DeWitt B., Graham N. (Eds.) The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1973.

¹¹ Byrne P. The Many Worlds of Hugh Everett III: Multiple Universes, Mutual Assured Destruction and the Meltdown of a Nuclear Family, Oxford University Press, New York, 2010.