100 років квантовій фізиці: вона працює, але вчені досі не знають, що це

Провідні фізики світу зібрались на німецькому острові Гельголанд і розійшлись у поглядах щодо визначення терміну квантової фізики. 

На честь сторіччя квантової теорії журнал Nature провів найбільше в історії опитування серед квантових фізиків. Питання були задані понад 15 тис. дослідників. Було отримано понад 11 тис. відповідей. 

Результати продемонстрували, що науковці впевнені у власних знаннях, однак розходяться у поглядах стосовно інтерпретації. Парадоксально, адже квантова теорія дуже добре працює на практиці і слугує основою для роботи таких пристроїв як МРТ, лазери та комп’ютери. Але навіть через 100 років фізики досі не можуть дійти єдиної думки щодо визначення квантової фізики. 

З ним не погоджується інший нобелівський лавреат Ален Аспект. Дещо незвичайно, коли люди з однієї області розходяться в думках щодо фундаментальної інтерпретації, що лежить в основі їхньої роботи.

Квантова механіка як розділ фізики описує поведінку атомів, електронів, фотонів та інших субатомних частинок. Це світ, що керується ймовірностями, невизначенністю і явищами, що кидають виклик звичній інтуїції. У 1900 році німецький фізик Макс Планк припустив, що енергія надходить певними порціями — квантами. У 1905 році Альберт Ейнштейн розвинув цю теорію і припустив, що світло складається з фотонів. Протягом наступних 20 років експерименти продовжували розвивати цю ідею. До 1925 року Вернер Гейзенберг розробив версію квантової теорії, засновану на величинах, що спостерігаються, а роком пізніше Ервін Шредінгер запропонував хвильову механіку — докладний математичний опис еволюції квантових систем у часі.

В основі розходження поглядів сучасних фізиків на визначення квантової теорії лежить фундаментальне питання: що відбувається, коли ви спостерігаєте за квантовою системою? У якості класичного прикладу зазвичай приводять придуманого Ервіном Шредінгером кота невизначенності. Всередині закритої коробки квантова подія з ймовірністю 50/50 визначає, чи вивільниться бульбашка з отрутою і чи загине кіт. Ви не знаєте, що сталося, і кіт одночасно живий і мертвий, поки хтось не відкриє коробку і не побачить результату.

Згідно з квантовою механікою, доки ящик не відкритий і система не спостерігається, кіт перебуває в суперпозиції життя і смерті. Тільки під час уважного розгляду стає очевидним один певний результат.

Однак, що відбувається насправді, коли коробку відкривають і вивчають результат? Стосовно цього було висунуто цілих п’ять конкуруючих між собою гіпотез. Згідно із копенгагенською інтерпретацією, висунутою фізиками Нільсом Бором та Вернером Гейзенбергом у 1927 році, відкриття коробки створює реальність. Частинка має властивості тільки при вимірі спостерігачем; вони не є її внутрішніми властивостями. Цей підхід, власне, стверджує, що квантова механіка не визначає фізичну реальність, існуючу незалежно від виміру.

Замість цього вона описує те, про що ми можемо дізнатись шляхом вимірювання. Однак критики стверджують, що таке визначення обходить важливі питання, зокрема, що таке вимірювання і коли саме визначається результат? 

Багатосвітова інтерпретація стверджує, що всі можливі результати дійсно реалізуються, але кожен в окремому всесвіті, що розгалужується. Таким чином, у уявному експерименті Шредінгера кіт одночасно живий і мертвий, але знаходиться в двох різних світах, які не контактують один з одним.

Теорія де Бройля-Бома вводить поняття «пілотної хвилі», яка робить всі квантові явища детермінованими, а не випадковими. Однак вона стикається із проблемою миттєвих ефектів, що перевищують швидкість світла, а це несумісне з теорією відносності Ейнштейна.

Гіпотеза спонтанного колапсу передбачає, що квантова механіка — лише наближення до іншої теорії. Ця гіпотеза гарно обгрунтована математично, однак не має експериментальних підтверджень.

Нарешті, епістемічні інтерпретації припускають, що квантові стани є лише інформацією, доступною зовнішньому агенту. Це також створює неприємну проблему: реальність може існувати лише суб’єктивно, а об’єктивної реальності немає.

Найбільш популярною серед опитаних фізиків виявилась копенгагенська інтерпретація. Її підтримують 36% опитаних квантових фізиків. Однак лише невелика частина з них була впевнена у її правильності; більшість же вважала її просто адекватною чи корисною. Далі слідували епістемічні підходи (17%) та багатосвітова теорія (15%).

Близько 10% респондентів обрали варіант «інше» і надали відповіді у вільній формі, тоді як невелика кількість заявила, що жодне з тлумачень не видалося їм адекватним або що тлумачення взагалі не є чимось необхідним. Загалом лише 24% усіх респондентів були впевнені у правильності обраного ними тлумачення.

Джерело: ZME Science