Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

Проблемы в понимании того, что конкретно квантовая механика сообщает о реальности, начались еще с классического эксперимента, осуществленного не кем иным, как самим отцом теории распределенного кодирования в мозге – британским эрудитом Томасом Юнгом в начале 1800-х годов. Пропуская свет через две узкие вертикальные прорези в листе картона, Юнг наблюдал на экране, размещенном на некотором удалении, типичную картину волновой интерференции. Он немедленно заключил, что, вопреки представлению Ньютона, свет ведет себя как волна, а не как поток частиц. Он сделал такой вывод на том основании, что проходящий через две прорези свет создавал на экране такую же картину, как та, что возникает, например, на поверхности воды при столкновении двух волн, идущих от двух брошенных в пруд камней.

Вопрос о природе света усложнился еще больше, когда Альберт Эйнштейн предположил, что, если направить на металлическую поверхность коротковолновый ультрафиолетовый свет, можно зарегистрировать испускание электронов металлом. По мнению Эйнштейна, чтобы производить такой эффект, свет должен представлять собой пучок дискретных частиц, каждая из которых несет определенное количество (квант) энергии. Это явление, которое стали называть фотоэлектрическим эффектом, было экспериментально продемонстрировано Робертом Милликеном буквально через несколько лет, обеспечив теоретику (Эйнштейну) и экспериментатору (Милликену) получение Нобелевской премии по физике.

Невероятное значение открытия Юнга в эксперименте с двумя щелями можно оценить на основании того факта, что даже теперь, двести с лишним лет спустя, физики по-прежнему спорят об интерпретации результатов этого эксперимента и многих других результатов, полученных в различных вариантах исходного опыта.

Теперь мы знаем, что при пропускании пучка индивидуальных фотонов, электронов, атомов или даже небольших молекул, вроде так называемых фуллеренов, через современную версию аппарата Юнга с двумя прорезями возникает такая же интерференционная картина. Но на деле все обстоит еще более странно: если детектор поместить ровно перед каждой щелью (или перед обеими), при ударе об это измерительное устройство непосредственно перед прохождением через щели каждый отдельный фотон (или электрон, атом, молекула) ведет себя как частица, оставляя сигнал отдельного удара, а не картину интерференции. Иными словами, если проводить измерения перед прохождением через щели, свет ведет себя как поток частиц. Этот корпускулярно-волновой дуализм остается важнейшей загадкой в интерпретации законов квантовой механики.

Было предложено три основных варианта интерпретации, объясняющих эту волновую интерференционную картину. В соответствии с так называемой копенгагенской интерпретацией, первоначально предложенной знаменитыми физиками Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, интерференция возникает по той причине, что через щели проходит не свет как таковой, а вероятностная волновая функция, определяющая возможные состояния света при измерении. Когда эти функции достигают экрана за прорезями и наблюдатель смотрит на него (и это ключевой момент для нашего обсуждения), функции, как говорят, коллапсируют, производя интерференционную картину, которую наблюдал Юнг. Если же детектор расположен перед прорезью, волновые функции коллапсируют иначе – и возникает эффект удара частиц.

Но почему это происходит? Это так называемая проблема измерения в квантовой механике. В рамках копенгагенской интерпретации предполагается, что осуществляемый внешним наблюдателем акт измерения (непосредственный или с помощью инструмента) необходим для приведения набора вероятностей, описывающих потенциальные свойства физической системы (волновую функцию), к единственной вероятности (частица или волна). До проведения измерения квантовая механика может описать физическую систему только через математический (ментальный) конструкт – волновую функцию.

Второе объяснение, называемое гипотезой многих миров, было предложено в конце 1950-х годов американским физиком Хью Эвереттом; оно исключает какое-либо влияние наблюдателя на коллапс вероятностной волновой функции, о котором говорится в копенгагенской интерпретации. Вместо этого предполагается, что интерференция возникает по той причине, что, хотя мы и проводим эксперимент в нашей вселенной, производимые нами фотоны (или электроны) к моменту достижения щелей взаимодействуют с аналогичными частицами из разных других вселенных. В соответствии с этой гипотезой наблюдаемая нами интерференционная картина является результатом сложного взаимодействия между бесконечным числом миров.