Найбільшу проблему квантової фізики можна вирішити, якщо змінити визначення реальності

Один з архітекторів квантової теорії Нільс Бор насправді не цікавився природою реальності. Предметами його досліджень були атоми, електрони, фотони, тобто фундаментальні складові Всесвіту. Бор говорив, що завдання фізики полягає не у визначенні того, якою є природа, а в тому, що можна сказати про природу. І цей вислів не можна ігнорувати, коли йдеться про квантову фізику, пише New Scientist.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Проблема реальності

Квантова теорія показує картину субатомного світу, що спантеличує. Частинки можуть існувати у двох місцях одночасно, час стоїть на місці, і немає такої речі, як порожній простір. Чи може реальність бути саме такою? Деякі фізики, як і Бор, взагалі не говорять про реальність, а тільки про те, як ми її сприймаємо. Але є фізики, які вірять, що реальність складається з об'єктів, які існують незалежно від того, що ми про них знаємо. Іншими словами, вони реалісти.

Наприклад, канадський фізик Роберт Спеккенс хоче звільнити реальність від квантового безладу, в якому вона перебувала протягом багатьох десятиліть. Вчений стверджує, що реальність все-таки реальна доти, доки ми готові змінити те, що означає поняття "реальна".

Уже майже 100 років квантова механіка є дуже успішною теорією. Розуміння частинок та їхньої поведінки призвело до створення нових складних технологій. Але з самого початку було неймовірно складно прийняти деякі з наслідків квантової механіки.

Дивацтва квантової фізики

Наприклад, у вас є дві закриті непрозорі коробки, в одній з яких міститься кулька, а в іншій — квантова частинка, наприклад, електрон. Якщо ви відкриєте коробку з кулькою і виміряєте її положення, то можете бути впевнені, що до того, як ви заглянете в коробку, мало що зміниться. Але електрон повинен слідувати квантовим правилам, і немає простого способу пов'язати його минуле, яке ще не ви не бачили, зі станом у момент вимірювання. Замість цього фізики повинні описувати минуле частинки за допомогою хвильової функції, яка пропонує тільки ймовірність знаходження електрона в тому чи іншому місці. Проблема інтерпретації того, що насправді відбувається з часткою, є викликом для реалізму. Якщо електрон реальний, то чому він не поводиться як кулька?

Квантова заплутаність

Достовірність реальності виглядає ще більш сумнівною, якщо розглянути пару частинок. Вони можуть бути квантово заплутаними, то їхні характеристики пов'язані, навіть якщо частинки розділені величезними відстанями. Це суперечить принципу локальності, який свідчить, що для того, щоб речі впливали одна на одну, вони повинні перебувати фізично близько.

То що ж робити з цією явно нереальною картиною реальності? Насправді можна говорити, що насправді ніякої проблеми немає, якщо забути про саму реальність і думати тільки про те, що ми про неї знаємо.

Але Спеккенс вважає, що якщо квантові явища здаються дивними, то щось вчені не беруть до уваги. За словами фізика, реалізм є вірою в те, що світ існує незалежно від нас і що є істина, чим є цей світ насправді. Деякі вчені використовують термін локальний реалізм, де дивних квантових явищ немає.

Було багато спроб створити змінену версію квантової механіки, яка дотримувалася б локального реалізму. Але жодна з них не була достатньо успішною.

За словами Спеккенса, той факт, що ще не досягнуто консенсусу щодо того, як інтерпретувати формули квантової теорії, означає, що жодна з пропозицій не є правильною.

Чому немає теорії, що об'єднує квантовий світ і теорію відносності?

Одна з головних цілей сучасної фізики полягає в тому, щоб об'єднати квантову теорію із загальною теорією відносності Ейнштейна і в такий спосіб знайти єдину теорію, яка пояснює всі фундаментальні сили природи разом узяті. Але поки що цього не вийшло.

Спеккенс звинувачує в цьому наше нерозуміння квантової теорії в її нинішньому вигляді. І він не перший, хто намагається врятувати реалізм. Деякі фізики раніше припускали, що пояснити дивацтва квантових явищ можна за допомогою прихованих змінних. Тобто має бути якась прихована змінна, яку ми не можемо знати чи виміряти, але яка може пояснити перехід частинки, коли ми її спостерігаємо, з хвильової функції в певне положення.

Визначення реальності потрібно змінювати

Спеккенс усе ж таки вважає, що настав час для перевизначення реальності і для цього змінити визначення її основ.

"Підхід, якому я віддаю перевагу, полягає в тому, щоб сказати: ні, давайте дотримуватися наших принципів, виходячи з ідеї, що хвильова функція насправді описує неповну інформацію. Але давайте змінимо рамки, щодо яких ми намагаємося уявити реальність", — каже фізик.

Спеккенс вказує на одну проблемну особливість квантової теорії: вона містить два різні види інформації. Це своєрідна суміш, що описує частково реальності природи, частково неповну людську інформацію про природу. Тому цю проблему потрібно вирішити, каже фізик.

За словами вченого, складові квантової теорії діляться на дві категорії:

• причинність, або те, як фізичні системи пов'язані та впливають одна на одну;
• висновок, або те, у що ми віримо щодо фізичних систем, і як ми оновлюємо наші переконання, коли отримуємо нову інформацію, проводячи вимірювання частинок.

Спеккенс і його колеги розробили підхід, у якому причинність і висновок строго розділені. Цей підхід пропонує зовсім інший тип міркування про реальність.

У той час як фізики зазвичай розглядають частинки, поля та об'єкти як ключові складові реальності, нова структура вчених фокусується не на об'єктах, а на відносинах між ними. Це говорить про те, що ми не можемо відокремити опис об'єкта від інших об'єктів, з якими він взаємодіє. Іншими словами, ми не можемо вважати, що реальність складається з реальних об'єктів, тільки на підставі реальних відносин.

Зараз Спеккенс і його колеги взялися за кілька основних положень квантової теорії, таких як співвідношення невизначеності, які встановлюють фундаментальні обмеження на те, як точно можна виміряти властивості квантових об'єктів. Фізики намагаються визначити, яка частина кожного квантового явища має бути приписана чомусь квантовому, що кидає виклик інтуїтивному розумінню реальності.

"Друг Вігнера"

Фізики вважають, що є спосіб перевірити нову структуру реальності, який викликав би великий фурор, якби це вийшло. Він заснований на уявному експерименті, відомому як "Друг Вігнера". У цьому сценарії одна людина спостерігає квантову частинку в коробці. Водночас інша людина стоїть зовні лабораторії і спостерігає як свого друга, так і частинку. Ці двоє ніколи не можуть дійти згоди щодо того, що саме відбувається з частинкою, тому їхні реальності не збігаються.

Як уже писав Фокус, фізики вважають, що Всесвіт виник не так, як передбачається і вони знайшли пояснення, чому космос плоский. Вчені вважають, що можна виявити залишки минулої епохи в житті Всесвіту, яка існувала до Великого вибуху.