Контактируя друг с другом, параллельные миры порождают квантовые явления

Более века учёным известно, что все явления в физике не могут быть объяснены единой теорией. В мире массивных объектов правит классическая механика и Теория относительности Эйнштейна, тогда как микроскопические объекты, такие как элементарные частицы, подчиняются законам квантовой механики.

Этот раскол науки давно волнует физиков, и они постоянно предпринимают попытки сформулировать так называемую Теорию всего, чтобы открыть двери в мир Новой физики.

Контактируя друг с другом, множественные "классические" миры порождают квантовые явления (иллюстрация fdecomite/Flickr).

Теперь учёные-теоретики сформулировали необычную гипотезу, которая могла бы объяснить гармонию классической и квантовой физики: множественные параллельные миры, каждый из которых работает по законам обычной механики, периодически соприкасаются, и тут возникают квантовые явления.

Так, к примеру, можно элегантно объяснить странное квантовое явление под названием суперпозиция, при котором частица может принимать два или даже несколько состояний одновременно, пока не вмешается наблюдатель и не измерит систему.

"Наша гипотеза представляет собой фундаментальный рывок вперёд от предыдущих интерпретаций явлений квантового мира", — говорит ведущий автор исследования Говард Вайсман (Howard Wiseman) из университета Гриффита в Брисбене, Австралия.

Прежние попытки примирить классическую механику с квантовой заключались в создании различных математических структур. Одна из старейших интерпретаций представляет классический мир в виде следствия существования множественных квантовых миров. Этот теоретический подход о нескольких одновременно существующих мирах, известный как многомировая интерпретация, был описан в 1950 году американским теоретиком Хью Эвереттом (Hugh Everett).

В отличие от гипотезы Эверетта, который писал, что множественные миры никак не соприкасаются и не контактируют друг с другом, формулировка Вайсмана и его коллег предполагает, что существующие классические миры находятся в контакте друг с другом и постоянно взаимодействуют.

Сам по себе, каждый мир подчиняется законам классической ньютоновской физики. Но взаимодействия этих миров порождают явления, которые физики обычно приписывают квантовому миру.

Эти взаимодействия между мирами учёные попытались описать математически. Например, в квантовой физике существует такое явление, которое называют туннельным эффектом: частица с квантовыми свойствами, например, фотон, проходит через некий энергетический барьер, при этом её собственная энергия оказывается меньше энергии барьера, который ей необходимо преодолеть. Классическая механика не может объяснить такого явления, но в квантовом мире оно встречается часто.

Уайзман говорит, что по его сценарию, когда два классических мира приближаются к энергетическому барьеру с разных сторон, то один из них будет наращивать скорость, а другой в конечном итоге отскачет назад. Таким образом движущийся мир пройдёт через, казалось бы, непреодолимый барьер, и со стороны это будет выглядеть как квантовое туннелирование частицы.

Физики описывают несколько других примеров квантовых явлений, которые также могут быть объяснены контактом множественных классических миров. Так, согласно их модели, 41 взаимодействующий мир может привести к квантовой интерференции, которая наблюдается в знаменитом эксперименте с двумя щелями Томаса Юнга.

Эксперимент с двумя щелями является одним из самых загадочных явлений квантового мира (иллюстрация Wikimedia Commons).

Напомним, что в ходе этого эксперимента частицы света выпускаются в сторону экрана, но на их пути стоят две щели. По идее, одна неделимая частица не может размножиться и пройти через обе щели одновременно, она должна пройти только через одну из них. Именно так и происходит, если рядом наблюдатель, который регистрирует, через какую именно щель прошёл каждый фотон. Но если наблюдателя и детектора нет, то частицы света ведут себя как волна и оставляют на экране интерференционный рисунок, характерный для волн. Именно так была подтверждена квантовая двойственная корпускулярно-волновая природа света.

"Разумеется, нам не удалось ответить на абсолютно все загадки квантового и классического мира, мы лишь утверждаем, что некоторые квантовые явления могут быть объяснены взаимодействием множественных классических миров. Наша гипотеза ещё не может объяснить явления квантовой запутанности, но мы работаем над этим", — рассказывает Вайсман, чья статья в соавторстве с коллегами вышла в журнале Physical Review X.

В будущем команда Вайсмана планирует привлечь к своей работе больше других теоретиков и выяснить, какие условия и силы требуются для осуществления контакта множественных миров. А позднее учёным предстоит придумать эксперимент, который мог бы на практике подтвердить верность их подхода.

____________

Теория всего (англ. Theory of everything, TOE) — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий[1]. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе. В научной литературе вместо термина «теория всего» используется термин «единая теория поля», тем не менее следует иметь в виду, что теория всего может быть построена и без использования полей, несмотря на то, что научный статус таких теорий может быть спорным.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов. Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения. Квантовая механика в основном используется для описания микромира, а общая теория относительности применима к макромиру. СТО (Специальная теория относительности) описывает явления при больших скоростях, а ОТО является обобщением ньютоновской теории гравитации, объединяющей её со СТО и распространяющей на случай больших расстояний и больших масс. Непосредственное совмещение квантовой механики и специальной теории относительности в едином формализме (квантовой релятивистской теории поля) приводит к проблеме расходимости — отсутствия конечных результатов для экспериментально проверяемых величин. Для решения этой проблемы используется идея перенормировки величин. Для некоторых моделей механизм перенормировок позволяет построить очень хорошо работающие теории, но добавление гравитации (то есть включение в теорию ОТО как предельного случая для малых полей и больших расстояний) приводит к расходимостям, которые убрать пока не удаётся. Хотя из этого вовсе не следует, что такая теория не может быть построена.