III līmeņa multiversums: kvantu fizikas daudzās pasaules

Varētu būt trešais paralēlo pasauļu tips, kas neatrodas tālu, bet zināmā mērā tieši šeit. Ja fizikas pamatvienādojumi ir tādi, ko matemātiķi sauc par unitāriem, kā tas līdz šim šķiet, tad Visums turpina sadalīties paralēlos visumos, kā karikatūrā: kad vien kvantu notikumam, šķiet, ir nejaušs iznākums, faktiski notiek visi iznākumi, pa vienam katrā atzarā. Tas ir III līmeņa multivisums. Lai gan par šo līmeni ir vairāk strīdu un tas ir pretrunīgāks nekā I un II līmenis, mēs redzēsim, ka pārsteidzoši, šis līmenis nepievieno jaunus Visuma tipus.

20. gadsimta sākumā kvantu mehānikas teorija revolucionizēja fiziku, izskaidrojot atomu valstību, ar pielietojumiem, sākot no ķīmijas līdz kodolreakcijām, lāzeriem un pusvadītājiem. Neskatoties uz acīmredzamajiem panākumiem tās pielietojumā, izcēlās karstas debates par tās interpretāciju — debates, kas joprojām turpinās. Kvantu teorijā Visuma stāvoklis nav dots klasiskos terminos, piemēram, visu daļiņu pozīcijas un ātrumi, bet gan ar matemātisku objektu, ko sauc par viļņu funkciju. Saskaņā ar tā saukto Šrēdingera vienādojumu šis stāvoklis laika gaitā attīstās deterministiski veidā, ko sauc par unitāru, kas atbilst rotācijai Hilberta telpā, abstraktā bezgalīgi dimensiju telpā, kurā dzīvo viļņu funkcija. Sarežģītākā daļa ir tā, ka ir pilnīgi likumīgas viļņu funkcijas, kas atbilst klasiski intuitīvām situācijām, piemēram, jums vienlaikus atrodoties divās dažādās vietās. Vēl ļaunāk, Šrēdingera vienādojums var pārvērst nevainīgus klasiskos stāvokļus šādos šizofrēniskos stāvokļos. Kā baroka piemēru, Šrēdingers aprakstīja slaveno domu eksperimentu, kurā riebīga ierīce nogalina kaķi, ja radioaktīvais atoms sabrūk. Tā kā radioaktīvais atoms galu galā nonāk sabrukušā un nesabrukušā superpozīcijā, tas rada kaķi, kas vienlaikus ir gan miris, gan dzīvs superpozīcijā.

20. gadsimta 20. gados šī dīvainība tika izskaidrota, pieņemot, ka viļņu funkcija “sabruka” kādā noteiktā klasiskā iznākumā, kad tika veikts novērojums, un varbūtības noteica viļņu funkcija. Einšteins bija neapmierināts ar šādu raksturīgu nejaušību dabā, kas pārkāpa unitaritāti, uzstājot, ka “Dievs nespēlē kauliņus”, un citi sūdzējās, ka nav vienādojuma, kas norādītu, kad šis sabrukums notika. Savā 1957. gada doktora disertācijā Prinstonas students Hjū Everets III parādīja, ka šis pretrunīgais sabrukuma postulāts nav nepieciešams. Kvantu teorija paredzēja, ka viena klasiskā realitāte pakāpeniski sadalīsies daudzu superpozīcijās. Viņš parādīja, ka novērotāji subjektīvi piedzīvos šo sadalīšanos tikai kā nelielu nejaušību, un patiešām ar varbūtībām, kas precīzi sakrīt ar vecā sabrukuma postulāta varbūtībām (de Witt 2003). Šī klasisko pasauļu superpozīcija ir III līmeņa multivisums.

Evereta darbs bija atstājis divus būtiskus neatbildētus jautājumus: pirmkārt, ja pasaule patiešām satur dīvainas makrosuperpozīcijas, tad kāpēc mēs tās neuztveram? Atbilde nāca 1970. gadā, kad Dīters Zehs parādīja, ka pats Šrēdingera vienādojums rada cenzūras efektu (Zeh 1970). Šis efekts kļuva pazīstams kā dekoherence, un to sīki izstrādāja Vojcehs Žureks, Zehs un citi turpmākajās desmitgadēs. Tika konstatēts, ka koherentās kvantu superpozīcijas saglabājas tikai tik ilgi, kamēr tās tika turētas noslēpumā no pārējās pasaules. Vienas sadursmes ar ziņkārīgu fotonu vai gaisa molekulu pietiek, lai nodrošinātu, ka mūsu draugi 5. attēlā nekad nevarēs uzzināt par saviem kolēģiem paralēlajā sižetā. Otrs neatbildētais jautājums Evereta attēlā bija smalkāks, bet vienlīdz svarīgs: kāds fizisks mehānisms izvēlas aptuveni klasiskus stāvokļus (ar katru objektu tikai vienā vietā utt.) kā īpašus mulsinoši lielajā Hilberta telpā? Dekoherence atbildēja arī uz šo jautājumu, parādot, ka klasiskie stāvokļi ir vienkārši tie, kas ir visizturīgākie pret dekoherenci. Rezumējot, dekoherence gan identificē III līmeņa paralēlos visumus Hilberta telpā, gan norobežo tos vienu no otra. Dekoherence tagad ir diezgan nepretrunīga, un tā ir eksperimentāli izmērīta visdažādākajos apstākļos. Tā kā dekoherence visiem praktiskiem mērķiem atdarina viļņu funkcijas sabrukumu, tā ir novērsusi lielāko daļu sākotnējās motivācijas neunitārai kvantu mehānikai un padarījusi Evereta tā saukto daudzu pasauļu interpretāciju arvien populārāku. Lai iegūtu sīkāku informāciju par šiem kvantu jautājumiem, skatiet Tegmark & Wheeler (2001) populāram aprakstam un Giulini et al. (1996) tehnisko apskatu.

Ja viļņu funkcijas laika evolūcija ir unitāra, tad pastāv III līmeņa multivisums, tāpēc fiziķi ir smagi strādājuši, lai pārbaudītu šo būtisko pieņēmumu. Līdz šim nav konstatētas atkāpes no unitaritātes. Pēdējās desmitgadēs ievērojami eksperimenti ir apstiprinājuši unitaritāti arvien lielākām sistēmām, tostarp smagajam oglekļa-60 “Buckey Ball” atomam un kilometru izmēra optisko šķiedru sistēmām. No teorētiskās puses vadošais arguments pret unitaritāti ir saistīts ar iespējamu informācijas iznīcināšanu melno caurumu iztvaikošanas laikā, kas liecina, ka kvantu gravitācijas efekti ir neunitāri un sabrūk viļņu funkciju. Tomēr nesenais stīgu teorijas izrāviens, kas pazīstams kā AdS/CFT atbilstība, ir ierosinājis, ka pat kvantu gravitācija ir unitāra, matemātiski ekvivalenta zemākas dimensijas kvantu lauka teorijai bez gravitācijas (Maldacena 2003).

Apspriežot paralēlos visumus, mums jānošķir divi dažādi veidi, kā aplūkot fizisku teoriju: ārējais skatījums vai putna perspektīva matemātiķim, kurš pēta tās matemātiskos pamatvienādojumus, un iekšējais skatījums vai vardes perspektīva novērotājam, kas dzīvo pasaulē, kuru apraksta vienādojumi*** . No putna perspektīvas III līmeņa multivisums ir vienkāršs: ir tikai viena viļņu funkcija, un tā vienmērīgi un deterministiski attīstās laika gaitā bez jebkāda veida sadalīšanās vai paralēlisma. Abstraktā kvantu pasaule, ko apraksta šī attīstošā viļņu funkcija, satur milzīgu skaitu paralēlu klasisku sižetu, kas nepārtraukti sadalās un saplūst, kā arī vairākas kvantu parādības, kurām trūkst klasiska apraksta. Tomēr no savas vardes perspektīvas katrs novērotājs uztver tikai nelielu daļu no šīs pilnās realitātes: viņa var redzēt tikai savu Habla apjomu (I līmenis), un dekoherence neļauj viņai uztvert III līmeņa paralēlās kopijas. Kad viņai tiek uzdots jautājums, viņa pieņem strauju lēmumu un atbild, kvantu efekti viņas smadzeņu neironu līmenī noved pie vairākiem iznākumiem, un no putna perspektīvas viņas viena pagātne sadalās vairākās nākotnēs. Tomēr no savām vardes perspektīvām katra viņas kopija nezina par citām kopijām, un viņa uztver šo kvantu zarošanos tikai kā nelielu nejaušību. Pēc tam praktiski pastāv vairākas viņas kopijas, kurām ir pilnīgi vienādas atmiņas līdz brīdim, kad viņa atbild uz jautājumu.

*** Patiešām, standarta garīgā bilde par to, kas ir fiziskā pasaule, atbilst trešajam starpposma viedoklim, ko varētu saukt par vienprātības viedokli. No jūsu subjektīvi uztvertās vardes perspektīvas pasaule apgriežas kājām gaisā, kad stāvat uz galvas, un pazūd, kad aizverat acis, tomēr jūs zemapziņā interpretējat savus maņu signālus tā, it kā pastāvētu ārēja realitāte, kas ir neatkarīga no jūsu orientācijas, jūsu atrašanās vietas un jūsu prāta stāvokļa. Ir pārsteidzoši, ka, lai gan šis trešais viedoklis ietver gan cenzūru (piemēram, sapņu noraidīšanu), interpolāciju (piemēram, starp acu mirkšķināšanu) un ekstrapolāciju (teiksim, attiecinot eksistenci uz neredzētām pilsētām), neatkarīgi novērotāji tomēr, šķiet, dalās šajā vienprātības viedoklī. Lai gan iekšējais skatījums kaķim izskatās melnbalts, varavīksnes krāsains putnam, kas redz četras pamatkrāsas, un vēl atšķirīgāks bitei, kas redz polarizētu gaismu, sikspārnim, kas izmanto sonāru, aklam cilvēkam ar asāku tausti un dzirdi vai jaunākajam pārcenotajam robotizētajam putekļu sūcējam, visi piekrīt, vai durvis ir atvērtas. Galvenais pašreizējais izaicinājums fizikā ir atvasināt šo daļēji klasisko vienprātības viedokli no pamatvienādojumiem, kas norāda putna perspektīvu. Manuprāt, tas nozīmē, ka, lai gan cilvēka apziņas detalizētas dabas izpratne ir svarīgs izaicinājums pati par sevi, tā nav nepieciešama fundamentālai fizikas teorijai.

Lai cik dīvaini tas izklausītos, 5. attēls ilustrē, ka tieši tāda pati situācija notiek pat I līmeņa multvisumā, vienīgā atšķirība ir tā, kur atrodas viņas kopijas (citur vecajā labajā trīsdimensiju telpā, nevis citur bezgalīgi dimensiju Hilberta telpā, citos kvantu zaros). Šajā ziņā III līmenis nav dīvaināks par I līmeni. Patiešām, ja fizika ir unitāra, tad kvantu fluktuācijas inflācijas laikā nevis radīja unikālus sākotnējos apstākļus nejauša procesa rezultātā, bet gan radīja visu iespējamo sākotnējo apstākļu kvantu superpozīciju vienlaikus, pēc tam dekoherence lika šīm fluktuācijām uzvesties būtībā klasiski atsevišķos kvantu zaros. Šo kvantu fluktuāciju ergodiālā daba (I B sadaļa) tāpēc nozīmē, ka iznākumu sadalījums noteiktā Habla apjomā III līmenī (starp dažādiem kvantu zariem, kā parādīts 3. attēlā) ir identisks sadalījumam, ko iegūstat, ņemot paraugus no dažādiem Habla apjomiem viena kvantu zara iekšienē (I līmenis). Ja fizikālās konstantes, telpas laika dimensionalitāte utt. var mainīties kā II līmenī, tad tās mainīsies arī starp paralēliem kvantu zariem III līmenī. Iemesls tam ir tāds, ka, ja fizika ir unitāra, tad spontāna simetrijas laušanas process neradīs unikālu (lai arī nejaušu) iznākumu, bet gan visu iznākumu superpozīciju, kas ātri dekoherē atsevišķos III līmeņa zaros visiem praktiskiem mērķiem. Īsāk sakot, III līmeņa multivisums, ja tas pastāv, nepievieno neko jaunu, kas pārsniedz I un II līmeni — tikai vairāk neatšķiramu vienu un to pašu visumu kopiju, tie paši vecie sižeti atkal un atkal atkārtojas citos kvantu zaros. Pieņemot vēl neredzētu neunitāru efektu, lai atbrīvotos no III līmeņa multivisuma, paturot prātā Okhama skuvekli, Okhams nebūtu laimīgāks.

Kaislīgās debates par Evereta paralēlajiem visumiem, kas ir turpinājušās gadu desmitiem, tādējādi, šķiet, beidzas ar grandiozu antiklimaksu, atklājot mazāk pretrunīgu multivisumu, kas ir tikpat liels. Tas atgādina slavenās Šeplija-Kērtisa debates 20. gadsimta 20. gados par to, vai patiešām pastāvēja daudz galaktiku (paralēlie visumi pēc tā laika standartiem) vai tikai viena, vētra tējas krūzē tagad, kad pētniecība ir pārcēlusies uz citiem galaktiku kopumiem, superkopumiem un pat Habla apjomiem. Atskatoties atpakaļ, gan Šeplija-Kērtisa, gan Evereta pretrunas šķiet pozitīvi savdabīgas, atspoguļojot mūsu instinktīvo nevēlēšanos paplašināt savu redzesloku.

Bieži tiek iebilsts, ka atkārtota zarošanās eksponenciāli palielinātu Visumu skaitu laika gaitā. Tomēr Visumu skaits N varētu palikt nemainīgs. Ar “Visumu” skaitu N mēs domājam skaitu, kas nav atšķirams no vardes perspektīvas (no putna perspektīvas, protams, ir tikai viens) noteiktā momentā, t.i., makroskopiski atšķirīgu Habla apjomu skaits. Lai gan to acīmredzot ir milzīgs skaits (iedomājieties planētu pārvietošanu uz nejaušām jaunām vietām, iedomājieties, ka esat apprecējies ar kādu citu utt.), skaits N ir nepārprotami ierobežots — pat ja mēs pedantiski atšķiram Habla apjomus kvantu līmenī, lai būtu pārāk konservatīvi, to ir “tikai” 115 apmēram 1010 ar temperatūru zem 108 K, kā sīkāk aprakstīts iepriekš. Vienmērīga unitāra viļņu funkcijas evolūcija putna perspektīvā atbilst nebeidzamai slīdēšanai starp šiem N klasiskajiem Visuma momentuzņēmumiem no novērotāja vardes perspektīvas. Tagad jūs atrodaties Visumā A, tajā, kur jūs lasāt šo teikumu. Tagad jūs atrodaties Visumā B, tajā, kur jūs lasāt šo citu teikumu. Citiem vārdiem sakot, Visumā B ir novērotājs, kas ir identisks tam, kas atrodas Visumā A, izņemot papildu atmiņu mirkli. 5. attēlā mūsu novērotājs vispirms atrodas Visumā, ko apraksta kreisais panelis, bet tagad ir divi dažādi Visumi, kas vienmērīgi savienojas ar to, tāpat kā B savienojās ar A, un abos šajos viņa nezinās par otru. Iedomājieties, ka zīmējat atsevišķu punktu, kas atbilst katram iespējamam Visumam, un zīmējat bultiņas, kas norāda, kuri savienojas ar kuriem vardes perspektīvā. Punkts varētu novest unikāli pie viena cita punkta vai pie vairākiem, kā iepriekš. Tāpat vairāki punkti varētu novest pie viena un tā paša punkta, jo varētu būt daudz dažādu veidu, kā noteiktas situācijas varētu būt radušās. Tādējādi III līmeņa multivisums ietver ne tikai zaru sadalīšanos, bet arī zaru saplūšanu.

Ergodiskums nozīmē, ka III līmeņa multivisuma kvantu stāvoklis ir nemainīgs, veicot telpiskus pārvietojumus, kas ir unitāra darbība tāpat kā laika pārvietojums. Ja tas ir nemainīgs arī laika pārvietojuma laikā (to var sakārtot, konstruējot bezgalīga kvantu stāvokļu kopuma superpozīciju, kas visi ir dažādi viena un tā paša stāvokļa laika pārvietojumi, lai Lielais sprādziens notiktu dažādos laikos dažādos kvantu zaros), tad Visumu skaits automātiski paliktu tieši nemainīgs. Visi iespējamie Visuma momentuzņēmumi pastāvētu katrā mirklī, un laika ritējums vienkārši būtu skatītāja acīs — ideja, kas pētīta zinātniskās fantastikas romānā “Permutation City” (Egan 1995) un ko izstrādāja Deutsch (1997), Barbour (2001) un citi.

Debates par to, kā klasiskā mehānika izriet no kvantu mehānikas, turpinās, un dekoherences atklājums ir parādījis, ka tajā ir daudz vairāk nekā tikai Planka konstantes h̄ samazināšana līdz nullei. Tomēr, kā ilustrē 7. attēls, tas ir tikai neliels gabaliņš no lielākas mīklas. Patiešām, nebeidzamās debates par kvantu mehānikas interpretāciju — un pat plašāks jautājums par paralēliem visumiem — zināmā mērā ir aisberga redzamā daļa. Zinātniskās fantastikas parodijā “Stopētāja ceļvedis Galaktikā” tiek atklāts, ka atbilde ir “42”, un grūtākā daļa ir atrast īsto jautājumu. Jautājumi par paralēliem visumiem var šķist tikpat dziļi kā jautājumi par realitāti. Tomēr ir vēl dziļāks pamatjautājums: pastāv divas pamatotas, bet diametrāli pretējas paradigmas attiecībā uz fizisko realitāti un matemātikas statusu, dihotomija, kas, iespējams, sniedzas līdz Platonam un Aristotelim, un jautājums ir par to, kura no tām ir pareiza.

• ARISTOTEĻA PARADIGMA: Subjektīvi uztvertā vardes perspektīva ir fiziski reāla, un putna perspektīva un visa tās matemātiskā valoda ir tikai noderīga aproksimācija.
• PLATONA PARADIGMA: Putna perspektīva (matemātiskā struktūra) ir fiziski reāla, un vardes perspektīva un visa cilvēku valoda, ko mēs izmantojam, lai to aprakstītu, ir tikai noderīga aproksimācija, lai aprakstītu mūsu subjektīvās uztveres.

Kas ir fundamentālāks — vardes perspektīva vai putna perspektīva? Kas ir fundamentālāks — cilvēku valoda vai matemātiskā valoda? Jūsu atbilde noteiks, kā jūs jūtaties par paralēliem visumiem. Ja vēlaties Platona paradigmu, jums vajadzētu uzskatīt multivisumus par dabiskiem, jo mūsu sajūta, ka, teiksim, III līmeņa multivisums ir “dīvains”, vienkārši atspoguļo to, ka vardes un putnu perspektīvas ir ļoti atšķirīgas. Mēs laužam simetriju, saucot pēdējo par dīvainu, jo mēs visi bijām indoktrinēti ar Aristoteļa paradigmu bērnībā, ilgi pirms tam, kad mēs pat dzirdējām par matemātiku — Platona skatījums ir iegūta garša!

Otrajā (Platona) gadījumā visa fizika galu galā ir matemātikas problēma, jo bezgalīgi inteliģents matemātiķis, ņemot kosmosa pamatvienādojumus, principā varētu aprēķināt vardes perspektīvu, t.i., aprēķināt, kādus pašapzinīgus novērotājus Visums saturētu, ko viņi uztvertu un kādu valodu viņi izgudrotu, lai aprakstītu savu uztveri viens otram. Citiem vārdiem sakot, 7. attēlā koka augšpusē ir “Visu teorija” (TOE), kuras aksiomas ir tīri matemātiskas, jo postulāti angļu valodā attiecībā uz interpretāciju būtu atvasināmi un tādējādi lieki. No otras puses, Aristoteļa paradigmā nekad nevar būt TOE, jo galu galā vienkārši tiek izskaidroti noteikti verbāli apgalvojumi ar citiem verbāliem apgalvojumiem — tas ir pazīstams kā bezgalīgas regresa problēma (Nozick 1981).