Самую большую проблему квантовой физики можно решить, если изменить определение реальности

Фото: New Scientist

Один из архитекторов квантовой теории Нильс Бор на самом деле не интересовался природой реальности. Предметами его исследований были атомы, электроны, фотоны, то есть фундаментальные составляющие Вселенной. Бор говорил, что задача физики состоит не в определении того, какой является природа, а в том, что можно сказать о природе. И это выражение нельзя игнорировать, когда речь идет о квантовой физике, пишет New Scientist.

Проблема реальности

Квантовая теория показывает озадачивающую картину субатомного мира. Частицы могут существовать в двух местах одновременно, время стоит на месте, и нет такой вещи, как пустое пространство. Может ли реальность быть именно такой? Некоторые физики, как и Бор, вообще не говорят о реальности, а только о том, как мы ее воспринимаем. Но есть физики, которые верят, что реальность состоит из объектов, которые существуют независимо от того, что мы о них знаем. Другими словами, они реалисты.

Например, канадский физик Роберт Спеккенс хочет освободить реальность от квантового беспорядка, в котором она пребывала в течение многих десятилетий. Ученый утверждает, что реальность все-таки реальна до тех пор, пока мы готовы изменить то, что означает понятие "реальна".

Уже почти 100 лет квантовая механика является очень успешной теорией. Понимание частиц и их поведения привело к созданию новых сложных технологий. Но с самого начала было невероятно сложно принять некоторые из последствий квантовой механики.

Странности квантовой физики

Например, у вас есть две закрытые непрозрачные коробки, в одной из которых находится шарик, а в другой — квантовая частица, например, электрон. Если вы откроете коробку с шариком и измерите его положение, то можете быть уверены, что до того, как вы заглянете в коробку, мало что изменится. Но электрон должен следовать квантовым правилам и нет простого способа связать его прошлое, которое еще не вы не видели, с состоянием в момент измерения. Вместо этого физики должны описывать прошлое частицы с помощью волновой функции, которая предлагает только вероятность нахождения электрона в том или ином месте. Проблема интерпретации того, что на самом деле происходит с частицей, является вызовом для реализма. Если электрон реален, то почему он не ведет себя как шарик?

Квантовая запутанность

Достоверность реальности выглядит еще более сомнительной, если рассмотреть пару частиц. Они могут быть квантово запутанными, то их характеристики связаны, даже если частицы разделены огромными расстояниями. Это противоречит принципу локальности, который гласит, что для того, чтобы вещи влияли друг на друга, они должны находиться физически близко.

Так что же делать с этой явно нереальной картиной реальности? На самом деле можно говорить, что на самом деле никакой проблемы нет, если забыть о самой реальности и думать только о том, что мы о ней знаем.

Но Спеккенс считает, что если квантовые явления кажутся странными, то что-то ученые упускают из вида. По словам физика, реализм является верой в то, что мир существует независимо от нас и что есть истина, чем является этот мир самом деле. Некоторые ученые используют термин локальный реализм, где странных квантовых явлений нет.

Было много попыток создать измененную версию квантовой механики, которая придерживалась бы локального реализма. Но ни одна из них не была достаточно успешной.

По словам Спеккенса, тот факт, что еще не достигнут консенсус относительно того, как интерпретировать формулы квантовой теории, означает, что ни одно из предложений не является правильным.

Почему нет теории, объединяющей квантовый мир и теорию относительности?

Одна из главных целей современной физики состоит в том, чтобы объединить квантовую теорию с общей теорией относительности Эйнштейна и таким образом найти единую теорию, которая объясняет все фундаментальные силы природы вместе взятые. Но пока этого не получилось.

Спеккенс винит в этом наше непонимание квантовой теории в ее нынешнем виде. И он не первый, кто пытается спасти реализм. Некоторые физики раньше предполагали, что объяснить странности квантовых явлений можно с помощью скрытых переменных. То есть должна быть некая скрытая переменная, которую мы не можем знать или измерить, но может объяснить переход частицы, когда мы ее наблюдаем, из волновой функции в определенное положение.

Определение реальности нужно менять

Спеккенс все же считает, что пришло время для переопределения реальности и для этого изменить определение ее основ.

"Подход, который я предпочитаю, заключается в том, чтобы сказать: нет, давайте придерживаться наших принципов, исходя из идеи, что волновая функция на самом деле описывает неполную информацию. Но давайте изменим рамки, относительно которых мы пытаемся представить реальность", — говорит физик.

Спеккенс указывает на одну проблемную особенность квантовой теории: она содержит два разных вида информации. Это своеобразная смесь, описывающая частично реальности природы, частично неполную человеческую информацию о природе. Поэтому данную проблему нужно решить, говорит физик.

По словам ученого, составляющие квантовой теории делятся на две категории:

• причинность, или то, как физические системы связаны и влияют друг на друга;
• вывод, или то, во что мы верим относительно физических систем, и как мы обновляем наши убеждения, когда получаем новую информацию, проводя измерения частиц.

Спеккенс и его коллеги разработали подход, в котором причинность и вывод строго разделены. Данный подход предлагает совершенно иной тип размышления о реальности.

В то время как физики обычно рассматривают частицы, поля и объекты как ключевые составляющие реальности, новая структура ученых фокусируется не на объектах, а на отношениях между ними. Это говорит о том, что мы не можем отделить описание объекта от других объектов, с которыми он взаимодействует. Другими словами, мы не можем считать, что реальность состоит из реальных объектов, только на основании реальных отношений.

Сейчас Спеккенс и его коллеги взялись за несколько основных положений квантовой теории, таких как соотношения неопределенности, которые устанавливают фундаментальные ограничения на то, как точно можно измерить свойства квантовых объектов. Физики пытаются определить, какая часть каждого квантового явления должна быть приписана чему-то квантовому, что бросает вызов интуитивному пониманию реальности.

"Друг Вигнера"

Физики считают, что есть способ проверить новую структуру реальности, который произвел бы большой фурор, если бы это получилось. Он основан на мысленном эксперименте, известном как "Друг Вигнера". В этом сценарии один человек наблюдает квантовую частицу в коробке. В то же другой человек стоит снаружи лаборатории и наблюдает как своего друга, так и частицу. Эти двое никогда не могут прийти к согласию относительно того, что именно происходит с частицей, поэтому их реальности не совпадают.