Kvantová mechanika a mnohovesmír

Václav Dostál

Úvod

Tento článek doplňuje video Proč multivesmír není věda. Autorka videa S. Hossenfelder, PhD, „je vědeckou spolupracovnicí ve frankfurtském Institutu pro pokročilá studia.“ Můj článek se pokouší vysvětlit podklad pro „reálnou“ existenci paralelních vesmírů, které dohromady „vytváří“ mnohovesmír, multivesmír, anglicky „multiverse“. Pomocí existence multiversa evoluční vědci vysvětlují jinak velmi nepravděpodobné „vyladění“ našeho vesmíru. Jestliže existuje nekonečně mnoho vesmírů, není divu, že jeden z nich je velmi vhodný pro život a to na nejvyšší – lidské – úrovni. K jeho vzniku a existenci není zapotřebí žádný Bůh, v každém z mnoha vesmírů panují jiné fyzikální podmínky. To, že v tom našem vesmíru jsou podmínky pro život, je jen náhoda, která přece musí – samovolně – nastat, je-li těch vesmírů nekonečně mnoho.

Článek (kromě tohoto úvodu a závěru) je v současnosti 4. kapitolou mé knihy Základní fyzikální pojmy jinak, nazvanou „Kvantová mechanika a mnohovesmír (multiversum).“

(Poznámka: První kapitola uvedené knihy byla původně článkem na tomto webu: Babylonský zmatek v jazycích a jeho řešení.)

Problematika měření v kvantové mechanice

Kvantová mechanika vznikla řešením otázky, zda světlo je pouze (elektromagnetické) vlnění nebo jenom tok částic, zvaných fotony. Poněvadž se v některých případech jevilo jako vlna a v jiných jako proud částic, byl přijat tzv. vlnově-kvantový dualismus. Tato teorie říká, že světlo je obojí současně, má oba dva charaktery. (Vždy však uvažujeme jen jeden – ten, který převládá nebo určuje výsledek fyzikálního jevu). Naskytla se další podobná otázka: „Je tok elektronů (nebo jiných atomických částic) proudem částic nebo je to vlna? Z pokusů zase vyplývalo, že se takový tok částic jeví v některých případech jako vlna. Nejpřijatelnější řešení problému říkalo, že částici doprovází vlnová funkce, která (svou druhou mocninou) popisuje pravděpodobnost výsledku. Pravděpodobnost polohy a rychlosti elektronu má nekonečné množství řešení. Avšak po provedení pokusu naměříme jenom jeden výsledek. Tomu se říká kolaps vlnové funkce.

Existují čtyři výklady, čtyři možná řešení paradoxu kolapsu vlnové funkce:

1. Počínající od Heiseberga, spočívá v tom, že vlnová funkce jen matematicky popisuje stav částice a nemá co do činění s praktickým měřením.
2. Everettův, který říká, že se uskuteční všechny výsledky, které předvídá vlnová funkce, avšak v různých, paralelních vesmírech. Podle Everetta k žádnému kolapsu nedochází.
3. Bohmův přístup říká, že vlnová funkce částice je oddělená součást reality, která existuje mimo samotné částice. Nejde o částici nebo vlnu, podle Bohma je to částice a současně vlna. Bohm předpokládal, že vlnová funkce interaguje se samotnou částicí tak, že určuje její pohyb, „popohání“ ji sem a tam.
4. Podle G. Ghirardiho, A. Riminiho a T. Webera, což je čtvrtý výklad, každá vlnová funkce samovolně zkolabuje. Ke kolapsu vlnové funkce dochází u každé částice náhodně v průměru asi každých několik miliard let. Jenže u experimentátorů a jejich přístrojů, skládajících se ze závratného počtu částic, předpokládaný spontánní kolaps ve zlomku sekundy změní polohu a rychlost měřené částice a tím způsobí kolaps její vlnové funkce.

Testování Everettovy interpretace

Zde se zabývám článkem Auréliena Barrau, datovaného 4. 3. 2019, ale také 23. 12. 2014).  Aurélien Barrau v první části svého článku píše o druhé možné interpretaci výsledku měření kvantového děje:

„Everettova interpretace … tvrdí, že všechny alternativní historie kvantového systému jsou vlastně reálné. Každá z nich se vyskytuje v odlišném vesmíru, nedochází k žádnému kolapsu vlnové funkce. … Její zřejmou výhodou je nějak brát kvantovou mechaniku „doslovně“, aniž by byla „ruka“  nejednotného vývoje záhadně spuštěna měřícím procesem.“

Výhoda odstranění záhady vlivu měřícího zařízení a pozorovatele na výsledek má ovšem silnou nevýhodu v předpokladu reálné existence jiných vesmírů (v nichž se uskuteční ostatní možnosti). To je zjevný rozpor: buď nějaká fyzikální entita existuje, čili je mnohokrát detekována či dokonce naměřena, nebo je pouze předpokládána a zjištěna není ani jednou. Předpoklad a realita jsou dvě rozdílné skutečnosti a tudíž nemůže existovat předpokládaná realita. Jinak řečeno, reálná existence není předpoklad a naopak.

Je nutno zdůraznit, že zde stále jde o oblast fyziky. Naznačené důkazy jsou fyzikálního rázu: pozorování, odhalení (detekce), měření. Z toho pak vyplývá odvození nebo potvrzení nějaké fyzikální závislosti nebo některého fyzikálního zákona.

V druhé části článku se autor pokouší ukázat, co u multiversa (souboru mnoha vesmírů) je testovatelné. Tvrdí, že nejde o vlastní hypotézu, ale o výsledek kvantové teorie. Píše, že výsledky kvantové teorie zjistitelné či testovatelné jsou.  Pořád ovšem jde o jednu z možných interpretací výsledku měření kvantového děje a ne o celou kvantovou teorii. Uvádí:

 „Ve skutečnosti by to byla umělá a ad hoc hypotéza. Vlastně to vypadá jako výstup teorií, které lze testovat jen místně a které jsou postaveny pro úplně jiné účely, například pro fyziku částic nebo kvantovou gravitaci. Nejedná se o vstup. Pokud by tyto teorie měly být falzifikovatelné, všechny jejich předpovědi by zmizely, včetně multivesmíru. A naopak, kdyby tyto teorie byly součástí našeho hlavního paradigmatu, bylo by nelogické zbavit se multivesmíru, který přinášejí jen proto, že se někomu ta myšlenka nelíbí.) V zásadě jde tedy o to, že bychom neměli testovat mnohovesmír, ale spíše teorii, která jej předpovídá. A to je určitě v principu možné.“

Důležitá je následující věta:

„Přesněji řečeno, když použijeme obecnou relativitu (GR) k popisu vnitřní struktury černých děr jen proto, že jsme si GR dostatečně jistí a věříme jí, přestože tuto specifickou předpověď nelze otestovat.“

V poslední větě autor podle mého soudu dokonce ironizuje víru v paralelní vesmíry pomocí důvěry výsledkům obecné relativitě, založené na opakovaných pozorováních. Existenci černých děr tím asi kritizuje, stejně jako „existenci“ toho multiversa. Níže autor naznačuje dosud neřešený rozpor mezi popisem gravitace (obecnou relativitou) a kvantovou mechanikou. Jak může neznámé spojení mezi těmito různými oblastmi fyziky vysvětlovat existenci mnoha vesmírů? Jde tedy o slepou víru.

Ironie se (podle mě) také ukazuje např. v tomto odstavci:

„Takže v podstatě porovnáváme-li strukturu podmínek (řešení uvažované teorie) se vzorkem vesmíru, v němž žijeme, je důležitou veličinou součin pravděpodobnosti daného řešení S_i –  tedy P(S_i), počtem pozorovatelů v tomto řešení, tedy N(S_i). Uvažujeme-li náhodného člověka, který se bude zajímat o to, kde žije, je pravděpodobnější, že to bude spíše Ind než Australan, přestože Austrálie je větší než Indie – ale v Indii je více pozorovatelů. To je nutné brát v úvahu, snažíme-li se o rekonstrukci krajiny Země z místních popisů. Je dobře známo, že tato formulace je obvykle příliš vágní a špatně definovaná. My nevíme, jak správně definovat pozorovatele dostatečně obecným způsobem.“

V třetí části článku jsou zajímavé věty:

„Existuje pouze jeden vesmír, takže jsou důležité pouze pravděpodobnosti mezi různými výstupy. Je-li pravděpodobnost vesmíru „x“ mnohem vyšší než pravděpodobnost vesmíru „y“, měli bychom být ve vesmíru „x“, bez ohledu na počet generovaných pozorovatelů. Avšak v Everettově vizi ve skutečnosti existují všechny možné vesmíry. A tak pokud je počet pozorovatelů vesmíru „x“ a vesmíru „y“ odlišný, řekněme N_x a N_y, je nyní každá z příslušných pravděpodobností vázána počtem pozorovatelů. Pokud je poměr N_y / N_x vyšší než P(x) / P(y), předpověď je nyní opačná. Měli bychom být ve vesmíru „y“. Jde o to, že ať už jsou poměry mnohovesmíru jakékoliv, situace je v podstatě stejná. Existuje-li jen jeden svět, měli bychom vypočítat pravděpodobnost tohoto světa; pokud existuje mnoho světů, je správnou klasifikací pravděpodobnost vázaná pozorovateli. V principu je tedy možné si vybrat, které pozorování je pravdivé.“

Jestliže toto není ironie, co to je? Ze čtvrté části vybírám:

„Kromě toho jsme přesvědčeni, že bychom neměli brát Poppera, nebo přesněji tento zjednodušující paskvil Popperova tvrzení (tj., že teorie musí být dokazatelná a/nebo vyvratitelná, pozn. VD) příliš vážně. Především proto, že to je jen jedna z teorií poznání mezi mnoha jinými.“

A na konec autor píše:

„Popperova teorie poznání přichází (nebo je hluboce upevněna) spolu s vysoce sporným pevným přesvědčením, že věda vyřeší a již vyřešila většinu problémů lidstva.“

A ještě kousek z poslední části článku:

Nenulová kvantová pravděpodobnost zpravidla existuje pro téměř všechno. Například existuje nenulová kvantová pravděpodobnost, že přežiji jakýkoli druh nemoci nebo proces stárnutí. Podle Everetta budu tedy nějak „nesmrtelný“. Samozřejmě ne pro mé přátele a rodinu, kteří uvidí mou smrt ve většině světů. Mohl bych tedy tvrdit, že prostá skutečnost, že píšu tento článek ve věku, který se moc neliší od průměrné délky života, je již argumentem, který ten model znevýhodňuje (ta pravděpodobnost, že je mi méně než 80 let a že bych tu mohl být věčně, je velmi malá). 

Závěrem

Nemožnost pozorování – a to principiální, nikoli technická (nedokonalost nebo nepřesnost současných fyzikálních přístrojů či zařízení) – znamená, že na existenci multiversa můžeme jenom věřit.

Interpretace výsledků kvantové mechaniky dovoluje „existenci“ (nekonečně) mnoha paralelních vesmírů – neboli multiversa: Interpretace KM to sice dovoluje, ale jde o jednu ze čtyř možností interpretace; ostatní možnosti pro budování rozsáhlé „nauky“ o multiversu – o paralelních vesmírech –  se evolucionistům nehodí a tak je „klidně“ „zametou pod koberec“  a ohromují laiky „realitou“ jiných vesmírů!

Děkuji Jakobu Haverovi za opravy mých překladů a za velmi cenné připomínky.