100 лет квантовой физике: она работает, но ученые до сих пор не знают, что это

Ведущие физики мира собрались на немецком острове Гельголанд и разошлись во взглядах относительно определения термина квантовой физики.

В честь столетия квантовой теории журнал Nature провел крупнейший в истории опрос среди квантовых физиков. Опрошены были более 15 тыс. исследователей. Было получено более 11 тыс. ответов.

Результаты продемонстрировали, что ученые уверены в собственных знаниях, однако расходятся во взглядах относительно интерпретации. Парадоксально, ведь квантовая теория очень хорошо работает на практике и служит основой для работы таких устройств как МРТ, лазеры и компьютеры. Но даже спустя 100 лет физики до сих пор не могут прийти к единому мнению относительно определения квантовой физики.

«Квантового мира не существует. Квантовые состояния существуют только в наших головах», — убеждает физик, лауреат Нобелевской премии из Венского университета, Антон Цайлингер.

С ним не соглашается другой нобелевский лауреат Ален Аспект. Несколько необычно, когда люди из одной области расходятся во мнениях относительно фундаментальной интерпретации, лежащей в основе их работы.

Квантовая механика как раздел физики описывает поведение атомов, электронов, фотонов и других субатомных частиц. Это мир, управляемый вероятностями, неопределенностью и явлениями, бросающими вызов привычной интуиции. В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что энергия поступает определенными порциями — квантами. В 1905 году Альберт Эйнштейн развил эту теорию и предположил, что свет состоит из фотонов. В течение следующих 20 лет эксперименты продолжали развивать эту идею. К 1925 году Вернер Гейзенберг разработал версию квантовой теории, основанную на наблюдаемых величинах, а годом позже Эрвин Шредингер предложил волновую механику — подробное математическое описание эволюции квантовых систем во времени.

В основе различия взглядов современных физиков на определение квантовой теории лежит фундаментальный вопрос: что происходит, когда вы наблюдаете за квантовой системой? В качестве классического примера обычно приводят придуманного Эрвином Шредингером кота неопределенности. Внутри закрытой коробки квантовое событие с вероятностью 50/50 определяет, выйдет ли пузырек с ядом и умрет ли кот. Вы не знаете, что произошло, и кот одновременно жив и мертв, пока кто-то не откроет коробку и не увидит результат.

Согласно квантовой механике, пока ящик не открыт и система не наблюдается, кот находится в суперпозиции жизни и смерти. Только при внимательном рассмотрении становится очевидным один определенный результат.

Однако, что происходит на самом деле, когда коробку открывают и изучают результат? В этом отношении было выдвинуто целых пять конкурирующих между собой гипотез. Согласно копенгагенской интерпретации, выдвинутой физиками Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в 1927 году, открытие коробки создает реальность. Частица обладает свойствами только при измерении наблюдателем; они не являются ее внутренними свойствами. Этот подход, собственно, утверждает, что квантовая механика не определяет физическую реальность, существующую независимо от измерения.

Вместо этого она описывает то, о чем мы можем узнать путем измерения. Однако критики утверждают, что такое определение обходит важные вопросы, в частности, что такое измерение и когда именно определяется результат?

Многомировая интерпретация утверждает, что все возможные результаты действительно реализуются, но каждый в отдельной разветвляющейся вселенной. Таким образом, в мысленном эксперименте Шредингера кот одновременно жив и мертв, но находится в двух разных мирах, которые не контактируют друг с другом.

Теория де Бройля-Бома вводит понятие «пилотной волны», которая делает все квантовые явления детерминированными, а не случайными. Однако она сталкивается с проблемой мгновенных эффектов, превышающих скорость света, а это несовместимо с теорией относительности Эйнштейна.

Спецпроекты

Гипотеза спонтанного коллапса предполагает, что квантовая механика — лишь приближение к другой теории. Эта гипотеза хорошо обоснована математически, однако не имеет экспериментальных подтверждений.

Наконец, эпистемические интерпретации предполагают, что квантовые состояния являются лишь информацией, доступной внешнему агенту. Это также создает неприятную проблему: реальность может существовать только субъективно, а объективной реальности нет.

Наиболее популярной среди опрошенных физиков оказалась копенгагенская интерпретация, которую поддерживают 36% опрошенных квантовых физиков. Однако лишь небольшая часть из них была уверена в ее правильности; большинство же считало ее просто адекватной или полезной. Далее следовали эпистемические подходы (17%) и многомировая теория (15%).

Около 10% респондентов выбрали вариант «другое» и предоставили ответы в свободной форме, тогда как небольшое количество заявили, что ни одно из толкований не показалось им адекватным или что толкование вообще не является чем-то необходимым. В целом только 24% всех респондентов были уверены в правильности выбранного ими толкования.