Multivesmír III: Mnohovesmíry kvantové fyziky | Hluboký ponor

Může existovat třetí typ paralelních světů, které nejsou daleko, ale v jistém smyslu přímo zde. Pokud jsou základní rovnice fyziky tím, co matematici nazývají unitární, jak se zatím zdá, pak se vesmír neustále větví do paralelních vesmírů jako v kresleném filmu: kdykoli se zdá, že kvantová událost má náhodný výsledek, všechny výsledky se ve skutečnosti vyskytují, jeden v každé větvi. Toto je multivesmír úrovně III. Ačkoli je více diskutován a kontroverzní než úroveň I a úroveň II, uvidíme, že tato úroveň kupodivu nepřidává žádné nové typy vesmírů.

Na počátku 20. století teorie kvantové mechaniky způsobila revoluci ve fyzice vysvětlením atomové říše, s aplikacemi od chemie po jaderné reakce, lasery a polovodiče. Navzdory zjevným úspěchům v její aplikaci se rozhořela vášnivá debata o její interpretaci – debata, která zuří dodnes. V kvantové teorii není stav vesmíru dán v klasických termínech, jako jsou polohy a rychlosti všech částic, ale matematickým objektem zvaným vlnová funkce. Podle takzvané Schrödinerovy rovnice se tento stav deterministicky vyvíjí v čase způsobem nazývaným unitární, což odpovídá rotaci v Hilbertově prostoru, abstraktním nekonečněrozměrném prostoru, kde vlnová funkce žije. Záludná část je, že existují dokonale legitimní vlnové funkce odpovídající klasicky neintuitivním situacím, jako je vaše přítomnost na dvou různých místech najednou. Ještě horší je, že Schrödinerova rovnice může vyvinout nevinné klasické stavy do takových schizofrenních. Jako barokní příklad Schrödiner popsal slavný myšlenkový experiment, kde ošklivé zařízení zabije kočku, pokud se radioaktivní atom rozpadne. Protože radioaktivní atom nakonec vstoupí do superpozice rozpadlého a nerozpadlého, produkuje kočku, která je zároveň mrtvá i živá v superpozici.

Ve 20. letech 20. století byla tato podivnost vysvětlena postulováním, že se vlnová funkce “zhroutila” do nějakého určitého klasického výsledku, kdykoli bylo provedeno pozorování, s pravděpodobnostmi danými vlnovou funkcí. Einstein nebyl spokojen s takovou vnitřní náhodností v přírodě, která porušovala unitárnost, a trval na tom, že “Bůh nehraje v kostky”, a jiní si stěžovali, že neexistuje žádná rovnice specifikující, kdy k tomuto zhroucení dojde. Ve své disertační práci z roku 1957 student Princetonu Hugh Everett III ukázal, že tento kontroverzní postulát o zhroucení je zbytečný. Kvantová teorie předpověděla, že se jedna klasická realita postupně rozdělí do superpozic mnoha. Ukázal, že pozorovatelé by subjektivně vnímali toto štěpení pouze jako mírnou náhodnost, a skutečně s pravděpodobnostmi v přesné shodě s těmi ze starého postulátu o zhroucení (de Witt 2003). Tato superpozice klasických světů je multivesmír úrovně III.

Everettova práce zanechala dvě zásadní otázky nezodpovězené: za prvé, pokud svět skutečně obsahuje bizarní makrosuperpozice, proč je nevnímáme? Odpověď přišla v roce 1970, kdy Dieter Zeh ukázal, že samotná Schrödinerova rovnice vede k typu cenzurního efektu (Zeh 1970). Tento efekt se stal známým jako dekoherence a byl vypracován do velkých detailů Wojciechem Zurekem, Zehem a dalšími v následujících desetiletích. Bylo zjištěno, že koherentní kvantové superpozice přetrvávají pouze tak dlouho, dokud jsou drženy v tajnosti před zbytkem světa. Jediná kolize s dotěrným fotonem nebo molekulou vzduchu stačí k zajištění toho, aby si naši přátelé na obrázku 5 nikdy nemohli být vědomi svých protějšků v paralelní dějové linii. Druhá nezodpovězená otázka v Everettově obrázku byla subtilnější, ale stejně důležitá: jaký fyzikální mechanismus vybírá přibližně klasické stavy (s každým objektem pouze na jednom místě atd.) jako speciální v ohromně velkém Hilbertově prostoru? Dekoherence odpověděla i na tuto otázku a ukázala, že klasické stavy jsou jednoduše ty, které jsou nejodolnější vůči dekoherenci. Stručně řečeno, dekoherence jak identifikuje paralelní vesmíry úrovně III v Hilbertově prostoru, tak je od sebe vymezuje. Dekoherence je nyní poměrně nesporná a byla experimentálně měřena v široké škále okolností. Protože dekoherence pro všechny praktické účely napodobuje zhroucení vlnové funkce, eliminovala velkou část původní motivace pro neunitární kvantovou mechaniku a učinila takzvanou interpretaci mnoha světů Everetta stále populárnější. Podrobnosti o těchto kvantových otázkách naleznete v Tegmark & Wheeler (2001) pro populární popis a Giulini et al. (1996) pro technickou recenzi.

Pokud je časový vývoj vlnové funkce unitární, pak multivesmír úrovně III existuje, takže fyzici tvrdě pracovali na testování tohoto zásadního předpokladu. Dosud nebyly nalezeny žádné odchylky od unitárnosti. V posledních několika desetiletích pozoruhodné experimenty potvrdily unitárnost pro stále větší systémy, včetně mohutného atomu uhlíku-60 “Buckey Ball” a optických vláken o velikosti kilometru. Na teoretické straně se hlavní argument proti unitárnosti týkal možné destrukce informací během vypařování černých děr, což naznačuje, že kvantově-gravitační efekty jsou neunitární a zhroutí vlnovou funkci. Nedávný průlom v teorii strun známý jako korespondence AdS/CFT však naznačil, že i kvantová gravitace je unitární, protože je matematicky ekvivalentní kvantové teorii pole nižší dimenze bez gravitace (Maldacena 2003).

Při diskusi o paralelních vesmírech musíme rozlišovat mezi dvěma různými způsoby pohledu na fyzikální teorii: vnější pohled nebo ptačí perspektiva matematika studujícího její matematické základní rovnice a vnitřní pohled nebo žabí perspektiva pozorovatele žijícího ve světě popsaném rovnicemi***. Z ptačí perspektivy je multivesmír úrovně III jednoduchý: existuje pouze jedna vlnová funkce a ta se vyvíjí hladce a deterministicky v čase bez jakéhokoli štěpení nebo paralelismu. Abstraktní kvantový svět popsaný touto vyvíjející se vlnovou funkcí obsahuje v sobě obrovské množství paralelních klasických dějových linií, které se neustále štěpí a slučují, stejně jako řadu kvantových jevů, kterým chybí klasický popis. Z její žabí perspektivy však každý pozorovatel vnímá pouze nepatrný zlomek této plné reality: vidí pouze svůj vlastní Hubbleův objem (úroveň I) a dekoherence jí brání vnímat paralelní kopie sebe sama úrovně III. Když je jí položena otázka, učiní rychlé rozhodnutí a odpoví, kvantové efekty na úrovni neuronů v jejím mozku vedou k mnoha výsledkům, a z ptačí perspektivy se její jediná minulost větví do mnoha budoucností. Z jejich žabích perspektiv si však každá její kopie neuvědomuje ostatní kopie a vnímá toto kvantové větvení pouze jako mírnou náhodnost. Poté existuje pro všechny praktické účely mnoho kopií jí, které mají přesně stejné vzpomínky až do okamžiku, kdy odpoví na otázku.

*** Skutečně, standardní mentální obraz toho, jaký je fyzický svět, odpovídá třetímu zprostředkujícímu pohledu, který by se dal nazvat konsenzuální pohled. Z vaší subjektivně vnímané žabí perspektivy se svět otočí vzhůru nohama, když stojíte na hlavě, a zmizí, když zavřete oči, přesto podvědomě interpretujete své smyslové vstupy, jako by existovala vnější realita, která je nezávislá na vaší orientaci, vaší poloze a vašem stavu mysli. Je zarážející, že ačkoli tento třetí pohled zahrnuje jak cenzuru (jako odmítání snů), interpolaci (jako mezi mrknutími oka) a extrapolaci (řekněme připisování existence neviditelným městům) vašeho vnitřního pohledu, nezávislí pozorovatelé se nicméně zdají sdílet tento konsenzuální pohled. Ačkoli vnitřní pohled vypadá černobíle pro kočku, duhově pro ptáka vidícího čtyři základní barvy a ještě odlišněji pro včelu vidící polarizované světlo, netopýra používajícího sonar, slepého člověka s ostřejším hmatem a sluchem nebo nejnovější předražený robotický vysavač, všichni se shodují na tom, zda jsou dveře otevřené. Klíčovou současnou výzvou ve fyzice je odvození tohoto semiklasického konsenzuálního pohledu ze základních rovnic specifikujících ptačí perspektivu. Podle mého názoru to znamená, že ačkoli pochopení podrobné povahy lidského vědomí je důležitou výzvou samo o sobě, není nutné pro základní teorii fyziky.

Jakkoli to může znít divně, obrázek 5 ilustruje, že tato přesně stejná situace nastává dokonce i v multivesmíru úrovně I, jediný rozdíl je v tom, kde sídlí její kopie (jinde v dobrém starém trojrozměrném prostoru na rozdíl od jinde v nekonečněrozměrném Hilbertově prostoru, v jiných kvantových větvích). V tomto smyslu není úroveň III o nic divnější než úroveň I. Skutečně, pokud je fyzika unitární, pak kvantové fluktuace během inflace negenerovaly jedinečné počáteční podmínky prostřednictvím náhodného procesu, ale spíše generovaly kvantovou superpozici všech možných počátečních podmínek současně, poté dekoherence způsobila, že se tyto fluktuace chovaly v podstatě klasicky v samostatných kvantových větvích. Ergodická povaha těchto kvantových fluktuací (část I B) proto implikuje, že rozdělení výsledků v daném Hubbleově objemu na úrovni III (mezi různými kvantovými větvemi jako na obr. 3) je identické s rozdělením, které získáte vzorkováním různých Hubbleových objemů v rámci jediné kvantové větve (úroveň I). Pokud se fyzikální konstanty, dimenzionalita časoprostoru atd. mohou lišit jako na úrovni II, pak se budou lišit i mezi paralelními kvantovými větvemi na úrovni III. Důvodem je, že pokud je fyzika unitární, pak proces spontánního narušení symetrie neprodukuje jedinečný (i když náhodný) výsledek, ale spíše superpozici všech výsledků, která se rychle dekoheruje do pro všechny praktické účely samostatných větví úrovně III. Stručně řečeno, multivesmír úrovně III, pokud existuje, nepřidává nic nového nad rámec úrovně I a úrovně II – pouze více nerozlišitelných kopií stejných vesmírů, stejné staré dějové linie se odehrávají znovu a znovu v jiných kvantových větvích. Postulování dosud neviděného neunitárního efektu k odstranění multivesmíru úrovně III, s ohledem na Occamovu břitvu, by proto Occama nijak nepotěšilo.

Vášnivá debata o Everettových paralelních vesmírech, která zuří po celá desetiletí, se proto zdá končit velkým antiklimaxem, s objevem méně kontroverzního multivesmíru, který je stejně velký. To připomíná slavnou Shapley-Curtisovu debatu z 20. let 20. století o tom, zda skutečně existuje množství galaxií (paralelních vesmírů podle tehdejších standardů) nebo jen jedna, bouře ve sklenici vody, když se výzkum posunul k jiným kupám galaxií, superkupám a dokonce i Hubbleovým objemům. S odstupem času se jak Shapley-Curtisovy, tak Everettovy kontroverze zdají pozitivně kuriózní, odrážející naši instinktivní neochotu rozšiřovat si obzory.

Běžná námitka je, že opakované větvení by exponenciálně zvýšilo počet vesmírů v průběhu času. Počet vesmírů N však může dobře zůstat konstantní. Počtem “vesmírů” N rozumíme počet, který je nerozlišitelný z žabí perspektivy (z ptačí perspektivy existuje samozřejmě jen jeden) v daném okamžiku, tj. počet makroskopicky odlišných Hubbleových objemů. Ačkoli jich je zjevně obrovské množství (představte si, že posouváte planety na náhodná nová místa, představte si, že jste si vzali někoho jiného atd.), číslo N je jasně konečné – i když pedanticky rozlišujeme Hubbleovy objemy na kvantové úrovni, abychom byli příliš konzervativní, existuje “pouze” 115 asi 1010 s teplotou pod 108 K, jak je podrobně popsáno výše. Hladký unitární vývoj vlnové funkce z ptačí perspektivy odpovídá nikdy nekončícímu klouzání mezi těmito N klasickými vesmírnými snímky z žabí perspektivy pozorovatele. Nyní jste ve vesmíru A, ve kterém čtete tuto větu. Nyní jste ve vesmíru B, ve kterém čtete tuto jinou větu. Jinými slovy, vesmír B má pozorovatele identického s pozorovatelem ve vesmíru A, kromě dalšího okamžiku vzpomínek. Na obrázku 5 se naše pozorovatelka nejprve ocitne ve vesmíru popsaném levým panelem, ale nyní existují dva různé vesmíry, které se s ním hladce spojují, jako se B spojil s A, a v obou z nich si nebude vědoma toho druhého. Představte si, že nakreslíte samostatnou tečku odpovídající každému možnému vesmíru a nakreslíte šipky označující, které se spojují s kterými v žabí perspektivě. Tečka by mohla vést jedinečně k jedné další tečce nebo k několika, jak je uvedeno výše. Stejně tak by několik teček mohlo vést k jedné a téže tečce, protože by mohlo existovat mnoho různých způsobů, jak mohly určité situace nastat. Multivesmír úrovně III tedy zahrnuje nejen štěpící se větve, ale i slučující se větve.

Ergodicita implikuje, že kvantový stav multivesmíru úrovně III je invariantní vůči prostorovým posunům, což je unitární operace stejně jako časový posun. Pokud je invariantní i vůči časovému posunu (toho lze dosáhnout konstrukcí superpozice nekonečné sady kvantových stavů, které jsou všechny různé časové posuny téhož stavu, takže k Velkému třesku dochází v různých časech v různých kvantových větvích), pak by počet vesmírů automaticky zůstal přesně konstantní. Všechny možné vesmírné snímky by existovaly v každém okamžiku a plynutí času by bylo jen v oku pozorovatele – myšlenka prozkoumaná ve sci-fi románu “Permutation City” (Egan 1995) a rozvinutá Deutsch (1997), Barbour (2001) a dalšími.

Debata o tom, jak se klasická mechanika vynořuje z kvantové mechaniky, pokračuje a objev dekoherence ukázal, že toho je mnohem více než jen nechat Planckovu konstantu h̄ smrsknout na nulu. Jak však ilustruje obrázek 7, toto je jen malý kousek větší skládačky. Skutečně, nekonečná debata o interpretaci kvantové mechaniky – a dokonce i širší otázka paralelních vesmírů – je v jistém smyslu špičkou ledovce. Ve sci-fi parodii “Stopařův průvodce po Galaxii” je objevena odpověď “42” a těžké je najít skutečnou otázku. Otázky o paralelních vesmírech se mohou zdát hluboké jako dotazy o realitě. Přesto existuje ještě hlubší základní otázka: existují dvě udržitelné, ale diametrálně odlišné paradigma týkající se fyzické reality a statusu matematiky, dichotomie, která sahá až k Platónovi a Aristotelovi, a otázkou je, které z nich je správné.

• ARISTOTELSKÉ PARADIGMA: Subjektivně vnímaná žabí perspektiva je fyzicky reálná a ptačí perspektiva a veškerý její matematický jazyk je pouze užitečná aproximace.
• PLATÓNSKÉ PARADIGMA: Ptačí perspektiva (matematická struktura) je fyzicky reálná a žabí perspektiva a veškerý lidský jazyk, který používáme k jejímu popisu, je pouze užitečná aproximace pro popis našich subjektivních vjemů.

Co je základnější – žabí perspektiva nebo ptačí perspektiva? Co je základnější – lidský jazyk nebo matematický jazyk? Vaše odpověď určí, jak se cítíte ohledně paralelních vesmírů. Pokud dáváte přednost Platónskému paradigmatu, měli byste považovat multivesmíry za přirozené, protože náš pocit, že řekněme multivesmír úrovně III je “podivný”, pouze odráží, že žabí a ptačí perspektivy jsou nesmírně odlišné. Porušujeme symetrii tím, že nazýváme to druhé podivným, protože jsme byli všichni indoktrinováni Aristotelským paradigmatem jako děti, dlouho předtím, než jsme vůbec slyšeli o matematice – Platónský pohled je získaná chuť!

Ve druhém (Platónském) případě je veškerá fyzika v konečném důsledku matematický problém, protože nekonečně inteligentní matematik daný základními rovnicemi kosmu by mohl v principu vypočítat žabí perspektivu, tj. vypočítat, jaké sebeuvědomělé pozorovatele by vesmír obsahoval, co by vnímali a jaký jazyk by vynalezli, aby popsali své vjemy jeden druhému. Jinými slovy, existuje “Teorie všeho” (TOE) na vrcholu stromu na obrázku 7, jejíž axiomy jsou čistě matematické, protože postuláty v angličtině týkající se interpretace by byly odvoditelné a tedy nadbytečné. V Aristotelském paradigmatu na druhé straně nikdy nemůže existovat TOE, protože se nakonec jen vysvětlují určité slovní výroky jinými slovními výroky – to je známé jako problém nekonečného regresu (Nozick 1981).