Kwantowe interpretacje: wieloświaty Everetta

Interpretacje zjawisk kwantowych możemy podzielić na dziwne i dziwniejsze. Co zabawne, pomysł współistnienia wielu alternatywnych rzeczywistości wcale nie musi należeć do tej drugiej kategorii.

To wyjątkowo dokuczliwa schizofrenia.

Bryce DeWitt

Wieloświat (lub jeśli wolicie multiwersum) to jedna z tych niezwykłych idei, które nigdy nie uzyskały przewodniej roli w swojej dziedzinie, ale mimo to słyszał o nich niemal każdy. Nie powinniśmy być tym faktem zdumieni. Wszyscy lubimy wracać pamięcią do wydarzeń z przeszłości i spekulować, jak potoczyłoby się nasze życie, gdybyśmy dokonali innych wyborów. Myśl o tym, że naprawdę istnieją alternatywne wersje rzeczywistości, w których nigdy nie dopuściliśmy do tej żenującej sytuacji[1] – może być pociągająca.

Przełóżmy to na realia kwantowe, wykorzystując klasyczny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera. Większość fizyków namawia nas do przyjęcia, że zamknięty w pudełku kot przebywa w kompletnie nieintuicyjnym stanie zawieszenia i stan ten utrzymuje się tak długo, jak długo nie zajrzymy do środka. Dopiero ingerencja w układ i akt pomiaru doprowadzają do kolapsu fali prawdopodobieństwa, powodując że kot okaże się żywy bądź martwy. Analogicznie możemy rozpatrywać sytuację pojedynczej cząstki lub atomu, który przed dokonaniem obserwacji zachowuje się jak widmowa hybryda wielu możliwych stanów.

Hugh Everett, autor interpretacji wieloświatowej
Hugh Everett

W 1957 roku aspirujący fizyk Hugh Everett doszedł do wniosku, że nie odpowiadają mu te wszystkie dylematy związane z niejasną rolą pomiaru oraz kwantowego obserwatora. Nie rozumiał dlaczego konkretyzacja stanu układu fizycznego miałaby zależeć od czynnika zewnętrznego, ani dlaczego tenże czynnik (czyt. obserwator) miałby być w jakiś sposób uprzywilejowany. Zresztą, bardzo podobne wahania wyrazi kilka lat później Eguene Wigner, dostrzegając że szersze spojrzenie na problem kota Schrödingera grozi kolejnymi paradoksami. Skoro bowiem, odizolowany kot może pozostawać w superpozycji do czasu otwarcia pudła, to laboratorium wraz ze zwierzakiem, badaczem i całym wyposażeniem również mogłoby tworzyć izolowany układ znajdujący się w stanie superpozycji względem reszty wszechświata. Jak się zastanowić, idąc tym tropem dalej i dalej, możemy w końcu zacząć zadawać filozoficzne pytanie o uniwersalnego obserwatora dla całego wszechświata!

W swojej pracy doktorskiej pisanej pod okiem znakomitego Johna Archibalda Wheelera, Everett wskazał na potencjalne rozwiązanie tych oraz innych kwantowych problemów. Wyszedł od śmiałego twierdzenia, że stan każdego obiektu ewoluuje w sposób ciągły. Oznacza to tyle, że funkcja falowa opisująca stan przykładowej cząstki nie powinna podlegać gwałtownej redukcji, natomiast aktowi obserwacji nie należy przypisywać żadnego szczególnego znaczenia. W każdym razie, na pewno nie takiego na jakie godzili się dotychczasowi interpretatorzy.

Tak więc z każdą kolejną obserwacją stan obserwatora rozgałęzia się na pewną liczbę różnych stanów. Każda z tych gałęzi reprezentuje inny wynik pomiaru i odpowiadający wektor własny dla superpozycji. Wszystkie gałęzie istnieją jednocześnie w superpozycji po każdej sekwencji obserwacji.

Hugh Everett

Dla większość fizyków wyrzucenie “szóstki” na kostce oznacza unicestwienie pozostałych pięciu ewentualności. Everett zasugerował, że w świecie kwantów wszystkie dostępne rezultaty pozostają równie realne. Każdy rzut powołuje do życia sześć wszechświatów, z sześcioma wynikami. Wracając do Schrödingera: funkcjonuje wszechświat A z kotem żwawym i mruczącym, jak i wszechświat B z kotem cichym i sztywnym. Nie ma kolapsu, rozumianego jako nagły “wybór” przez obiekt jednej z opcji. Przez akt pomiaru eksperymentator sprawdza raczej, do której z powstałych odnóg rzeczywistości trafił.

Tak narodziła się najbardziej klasyczna wersja interpretacji wieloświatowej[2]. Jej największa bolączka zawiera się już w nazwie: Everett prosi nas, abyśmy zaakceptowali ideę nieskończonej liczby alternatywnych rzeczywistości. Każdy z tysięcy możliwych wyników eksperymentu z dwiema szczelinami równa się tu osobnemu, równie prawdziwemu uniwersum. Za każdym razem, gdy obiekt kwantowy staje przed koniecznością dokonania wyboru – czyli bez przerwy – wszechświat ulega rozdarciu na odpowiednią liczbę wariantów, przy czym każda odnoga ewoluuje dalej na swój sposób, wypuszczając z czasem kolejne niezależne gałązki. Sam Wheeler, choć promował pracę swojego podopiecznego i doceniał jego kunszt, przyznawał że przedstawiona koncepcja nosi w sobie pewien pierwiastek “metafizyki”.

Wieloświat i jego alternatywne rzeczywistości

Pomysł od początku uchodził za ekstrawagancki, a jego metodologiczną cenę wielu uważało za zbyt wysoką. Mimo to, ani przez moment nie brakowało fizyków gotowych ponieść ten koszt. Początkowo po stronie wieloświatu opowiadały się głównie samotne wilki, jak Bryce DeWitt, jednak od lat 90. interpretacja zdaje się dościgać naukowy mainstream. Jej główni entuzjaści, na czele z Davidem Deutschem z Oxfordu, wyrażają wręcz zdumienie faktem, że multiwersum wciąż wzbudza wiele kontrowersji.

Kto ma rację? Krytyka interpretacji wieloświatowej na pozór wydaje się łatwa. Wszakże, Hugh Everett naprawdę narobił niezłego bałaganu mnożąc bez opamiętania wszechświaty. Uczynił to bez poszanowania dla oszczędności Matki Natury i jakichkolwiek przesłanek doświadczalnych. Z drugiej strony, należy pamiętać, iż żadna z wiodących interpretacji nie posiada zadowalającego oparcia w eksperymencie, a cała ekwilibrystyka everettystów wynikła z mocno rozsądnego postulatu uznania obserwatora i badanego obiektu za równoważne części spójnego, realnie ewoluującego układu. Postulat okazał się kosztowny, ale przynosi szansę na eleganckie wymazanie całej serii odwiecznych wątpliwości dotyczących zjawisk kwantowych.

Wszystko więc sprowadza się do pytania, jak bardzo absurdalną wizję rzeczywistości jesteśmy skłonni zaakceptować. I czy powstające spontanicznie alternatywne wszechświaty, aby na pewno są absurdalne bardziej od tego, co oferuje konkurencja.

Powyższy tekst stanowi część przeglądowego cyklu Kwantowe interpretacje. Pamiętaj proszę, że choć poszczególne interpretacje mogą rzucać różne światło na wyniki doświadczeń fizycznych oraz odmiennie opisywać przebieg niektórych zjawisk i procesów, to nie uchybiają w żaden sposób głównym zasadom i równaniom leżącym u podstaw współczesnej teorii kwantowej.

Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999;
J. Baggott, Teoria kwantowa. Odkrycia, które zmieniły świat, przeł. J. Skalska, Warszawa 2013;
Ł. Lamża, M. Łobejko, Co się dzieje w świecie kwantów?, Kraków 2019;
H. Everett, The Theory Of The Universal Wave Function, [online: https://archive.org/details/TheTheoryOfTheUniversalWaveFunction/mode/2up];
R. Crease, The bizarre logic of the many-worlds theory, [online: www.nature.com/articles/d41586-019-02602-8].

[+]
Mondro frela ze Ślunska – Maria Goeppert-Mayer Terraformacja Marsa. W obliczu niemożliwego 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o Planecie X