Квантовата теория, в която частиците се намират на две места едновременно, поставя под въпрос обичайните ни представи за това как би трябвало да функционира Вселената. Но една група физици твърди, че можем да си върнем реалността, ако просто преосмислим нейните основи.
Като един от първоначалните архитекти на квантовата теория, може би най-успешната научна идея, логично е да се предположи, че Нилс Бор би се интересувал от природата на реалността. Обект на неговите изследвания са били атомите, електроните, фотоните - нещата, които смятаме за основни съставки на Вселената.
Но всъщност Бор не се е интересувал много от реалността.
"Погрешно е да се мисли, че задачата на физиката е да открие какво е природата", заявява той в един често повтарян цитат от ранните дни на квантовата теория. "Физиката се занимава с това, което можем да кажем за природата."
Въпреки че това разграничение може да звучи прекалено педантично, то не може да бъде пренебрегнато, когато става въпрос за квантова физика.
Картината, която тази теория рисува за субатомния свят, е объркваща: частиците могат да съществуват на две места едновременно, времето е спряло и няма такова нещо като празно пространство. Възможно ли е реалността наистина да е такава?
Някои физици пренебрегват този въпрос. Подобно на Бор, те изобщо не говорят за реалност, а само за нашата смътна представа за нея.
Но мнозина намират тази гледна точка за дълбоко неудовлетворяваща и искат да имат свят, съставен от смислени обекти, които съществуват независимо от това, което знаем за тях. С други думи, те са реалисти.
Един от тях е Робърт Спекенс (Robert Spekkens) от Института "Периметър" в Канада, който има план за освобождаване на реалността от стогодишната квантова бъркотия, в която е попаднала.
Той твърди, че реалността все пак е реална - стига да сме готови да променим значението на понятието "реалност".
Откакто се е родила преди около един век, благодарение на Бор и други, квантовата механика е била невероятно успешна. Разбирането на нейните правила и на частиците, които трябва да ги следват, е позволило да се разработят технологии, вариращи от полупроводникови чипове, благодарение на които работят компютрите и телефоните, до квантовите компютри, които обещават да бъдат техни по-мощни наследници. Но от самото начало е било изключително трудно да се приемат някои от последиците от нея.
Да предположим, че имате две затворени, непрозрачни кутии, в едната от които има топче, а в другата - квантова частица, например електрон. Ако отворите кутията с топчето и измерите позицията му, можете да сте сигурни, че тя не се е променила много преди да надникнете. За разлика от това, тъй като електронът трябва да следва квантовите правила, няма прост начин да се свърже невидимото му минало с момента на измерването. Вместо това физиците описват миналото на частицата с помощта на вълновата функция - математическа формула, която предлага само вероятността електронът да се намира на едно или друго място. Преди да вдигнете капака, най-доброто, което можете да направите, е да си представите електрона като облак от възможности.
Предизвикателството да се интерпретира какво всъщност означава това, е известно като проблем на измерването - и е ръкавица, хвърлена в краката на реализма. Ако електронът е реален, защо не се държи като пинг-понг топче?
"Хората трябва да мислят за това, ако се интересуват от природата на реалността", коментира философът Джеймс Лейдиман (James Ladyman) от Бристолския университет, Великобритания.
Защо вплитането е толкова странно
Квантовото вплитане е феномен, при който две частици (или групи от частици) са свързани една с друга по такъв начин, че квантовото състояние на едната мигновено влияе на квантовото състояние на другата, независимо от разстоянието, което ги разделя. Тази характеристика, която Айнщайн първоначално е смятал за нереална, сега се признава за основен принцип на квантовата физика. Кредит: University of Colorado
Доказателствата за реалността изглеждат още по-съмнителни, ако се разгледат двойка частици. Те могат да бъдат квантово вплетени, което означава, че характеристиките им са свързани, дори когато са разделени на толкова големи разстояния, че не би могло между тях да се пренесе сигнал. Това противоречи на принципа, наречен локалност, който гласи, че за да си влияят едно нещо на друго, те трябва да са физически близо. Фактът, че вплитането е "нелокално", силно притеснява Алберт Айнщайн, който го нарича "призрачно действие на разстояние" (вижте карето под статията).
И така, какво да се направи с тази определено нереална картина на реалността?
Може да се подкрепи Бор и да кажем, че няма проблем. Забравяме за самата реалност, всичко, което можем да знаем, е това, което знаем за реалността. Много от съвременниците на Бор, включително Айнщайн, са били възмутени от тази идея, както и поколения учени след него. Подобно на Спекенс, те са реалисти. За тях, ако квантовите явления изглеждат странни, то тогава трябва да липсва част от пъзела.
"Реализмът е, най-общо казано, убеждението, че светът съществува независимо от нас и че има истина за това какви са нещата в действителност", посочва Сабине Хосенфелдер (Sabine Hossenfelder) от Мюнхенския университет "Лудвиг Максимилиан" в Германия. "Това е философска, а не научна позиция, въпреки че подозирам, че повечето учени са реалисти."
Тъй като реализмът е по-скоро философска позиция, отколкото нещо друго, физиците често вместо това обсъждат по-конкретното и поддаващо се на експериментална проверка понятие "локален реализъм" - комбинация от локализъм и реализъм, при която "призрачността" на Айнщайн е изрично забранена.
Възстановяване на реализма
Полагат се много усилия за създаване на усъвършенствана версия на квантовата механика, която да се придържа към локалния реализъм. Въпреки това никоя от тях не е достатъчно успешна, за да наклони везните.
"Фактът, че все още не сме постигнали консенсус за това, как да тълкуваме формулите на квантовата теория, означава, че нито едно от представените предложения не е правилно", признава Спекенс.
За Спекенс това не е чисто философски дебат, а и практически. Една от главните цели на съвременната физика е да се съчетае квантовата теория с Общата теория на относителността на Айнщайн и по този начин да се намери единна теория, която да обясни всички основни сили на природата едновременно.
Но въпреки десетилетията усилия, напредък няма. Спекенс обвинява за това липсата на разбиране на квантовата теория в нейния сегашен вид.
"Начинът, по който възприемаме формулите на квантовата механика, ще повлияе много съществено върху начина, по който подхождаме към този проект", отбелязва изследователят. "Ако не разполагаме с правилна интерпретация, това ще попречи."
Той не е първият, който се опитва да спаси реализма. Още отпреди десетилетия учените преследват същите цели чрез т.нар. теория на скритите променливи. В тези теории физиците твърдят, че трябва да има някаква скрита променлива - фактор, който по дефиниция не можем да познаваме или измерим - която би обяснила прехода, който частицата прави, когато я наблюдаваме, от мъглява вълнова функция към определена позиция.
През 60-те години на миналия век обаче физикът Джон Стюарт Бел (John Stewart Bell) предлага математически тест на цяла поредица от локални теории за скритите променливи - подгрупа, която също изисква светът да е локален - и резултатите не са обещаващи (вижте карето под статията).
Бел разглежда възможността да се вземат две вплетени частици, да се направят серия от измервания на всяка от тях поотделно, след което да се анализира разпределението на тези измервания. Той е искал да определи как това разпределение ще се различава в свят, който следва локална теория на скритите променливи - реален свят, в който не се случват странни, далечни корелации - и свят, управляван от квантовата теория, където вплитането е толкова нелогично, колкото изглежда.
Неговият тест, сега известен като неравенството на Бел, прави точно това. Ако се приложат експерименталните данни и корелациите между вплетените частици надхвърлят определена стойност, локалните скрити променливи са изключени. За съжаление на реалистите, всички експерименти досега попадат в тази категория.
Използването на най-съвременните ни устройства и авангардни техники за изследване на природата на нашия свят разклаща основите на теориите за скритите променливи. Тези идеи, които някога обещаваха завръщане към нормалността, в края на краищата се налагаше да бъдат призрачно нелокални, за да съответстват на експерименталните наблюдения.
Следователно реализмът е узрял за преосмисляне и Спекенс се опитва да го направи. Стратегията му започва с теория на скритите променливи, но когато се появяват проблеми с нелокалността, той не иска да прави компромиси с реалистичните си ценности. Вместо да допусне нелокалността или да направи някакво друго изключение, както са предпочели другите теоретици, той избира да възстанови основите на концепцията.
"Подходът, който предпочитам, е да кажа: не, нека се придържаме към нашите закони, към идеята, че вълновата функция наистина описва непълна информация", обяснява Спекенс. "Но нека да променим рамката, спрямо която се опитваме да си представим реалността."
Но как се преосмисля рамката на реалността?
Спекенс посочва една проблемна характеристика на квантовата теория: тя съдържа два различни вида информация. Или, по думите на физика Едуин Джейнс (Edwin Jaynes), тя е "особена смес, описваща отчасти реалностите на природата, отчасти непълна човешка информация за природата - всичко това е разбъркано в омлет". Ключът към възкресяването на реализма е да се разплете този омлет, казва Спекенс.
Според него съставките на квантовата теория се разделят на две категории. Първо, това е причинно-следствената връзка, или как физическите системи - частици и полета, да речем - са свързани и си влияят едни на други, като например частица, която се движи, защото друга се е сблъскала с нея. На второ място е изводът, или това, което знаем за физическите системи, и как актуализираме убежденията си, когато получим нова информация, например чрез измерване на масата на частиците. Квантовата теория разбърква причинно-следствената връзка и изводите в разбъркан омлет.
Някои виждат основите на квантовата теория като омлет. Кредит: Pexels
Идеите на физиците за това как функционира нашият свят са разнообразни. Те могат да описват частици, струни или информация. Но като цяло използват числа и уравнения, за да се справят с причинно-следствената връзка, и рамка, наречена вероятност на Бейс, за да опишат това, което предполагаме за реалността. Обикновено те се смесват в ред след ред уравнения.
За разлика от тях Спекенс и колегите му разработват подход, при който причинно-следствената връзка и изводът са строго разделени. В допълнение към традиционните уравнения те използват диаграми, подобни на тези, които обикновено се използват за описване на електрически вериги - проводниците в диаграмите представляват системи като набори от частици, а елементите, влияещи върху тези проводници, представят физични процеси.
Вертикалната или хоризонталната форма на проводника показва дали той предава причинно-следствен ефект или извод. Спекенс излага всичко това в статия от 2020 г., написана заедно с колегата му от Института "Периметър" Дейвид Шмид (David Schmid) и Джон Селби (John Selby) от Университета в Гданск, Полша.
Тяхната рамка е опит за възстановяване на реалността, но тя приканва към съвсем различен вид мислене за нея. Докато обикновено разглеждаме частиците, полетата и обектите като основни съставни части на реалността, новата рамка поставя акцента не върху обектите, а върху отношенията между тях.
За Боб Коук (Bob Coecke) от базираната в Колорадо компания за квантови изчисления Quantinuum, който е пионер на използвания от екипа диаграмен език, подходът е философски братовчед на релационната интерпретация на квантовата теория, предложена от физика Карло Ровели (Carlo Rovelli). Според него не можем да отделим описанието на даден обект от другите обекти, с които той взаимодейства. С други думи, реалността не се състои от реални обекти, а само от реални отношения.
И така, дали Спекенс и колегите му наистина са успели да обърнат посоката и да придадат смисъл на квантовия омлет? Не всички са убедени в това.
Джонте Ханс (Jonte Hance) от университета в Нюкасъл, Великобритания, заявява, че понятието за реализъм, представено в новата рамка, е "много нестандартно". Хосенфелдер има подобни опасения. Тя смята, че дълбоките проблеми, свързани с осмислянето на квантовата теория, не могат да бъдат решени само чрез ново тълкуване на математиката. Тя също така казва, че рамката съдържа предварително дефинирано понятие за локалност, което я прави неподходяща за изследване на нелокални ефекти по безпристрастен начин. Може би има смисъл от разбъркването на омлета на това високо математическо ниво, "но не и по начина, по който го правят", подчертава Хосенфелдер.
Коке, напротив, твърди, че използването на всеки друг математически подход би направило проекта за разкодиране невъзможен. И макар че Ана Сайнц (Ana Sainz) от Университета в Гданск отбелязва, че все още не е готова да заложи изцяло на реализма, тя все пак намира новата рамка за убедителна и ценна. "Това наистина ясно описва ситуацията", смята тя. " Тя е инструмент за по-добро разбиране на случващото се."
Откакто публикуват основната си идея през 2020 г., Спекенс и колегите му са се заели с няколко основни понятия от квантовата теория, като например отношенията на неопределеност, които определят фундаментални ограничения за това колко точно могат да бъдат измерени свойствата на квантовите обекти. Навсякъде те се опитват да установят каква част от всяко емблематично квантово явление трябва да се припише на нещо квантово, което оспорва интуитивното ни разбиране за реалността. Работейки с "теории-играчки" и анализирайки конкретни случаи на квантови странности, те се опитват да разплетат целия омлет с една метафорична лъжица наведнъж.
Все пак физиците са склонни да се съгласят, че продължаващата десетилетия липса на консенсус относно реализма в квантовата механика едва ли ще приключи само благодарение на разгорещени дебати и математически абстракции. Опитите за предефиниране на реалността биха се превърнали в нещо повече, ако доведат до проверими прогнози. "Аз съм философ, така че се радвам на хората, които си играят с формални системи и теории, но не искаме ли да правим нови предсказания?", пита Лейдиман.
Реализъм и квантови компютри
Коке е сигурен, че тези прогнози предстоят. През последните години нарастващият интерес и инвестициите в квантовите компютри стимулират проучванията на основите на квантовата теория, а двете неща със сигурност ще продължат да се допълват взаимно, посочва Коке. Фактът, че квантовите компютри разчитат на явления като вплитане, за да работят, може да означава, че това не е просто дебат между различни философски лагери, а може да има последствия за тези, които се опитват да използват квантовите състояния.
Селби, сътрудникът на Спекенс, посочва, че има начин за тестване на новата рамка, който би имал голям успех, ако наистина може да се изпробва. Той се основава на мисловен експеримент, разработен от физика Юджийн Вигнер през 60-те години на миналия век, известен като мисловен експеримент наречен "приятеля на Вигнер". При този сценарий приятел на Вигнер наблюдава в лаборатория квантова система, като частица в кутия. В същото време Вигнер стои извън лабораторията и наблюдава както приятеля си, така и частицата. Двамата никога не могат да постигнат съгласие относно това какво точно се случва с частицата, така че реалностите им не съвпадат.
Напоследък има няколко предложения за прилагане на някаква версия на тази ситуация с приятеля на Вигнер в квантовите компютри, което я поставя на първо място в списъка с желания на Селби. Той иска да използва новата рамка, за да потърси реалност, която Вигнер и неговият приятел все пак споделят.
"Наистина е рано, но имаме рамка и цел, към която да се стремим", заявява Селби.
Спекенс споделя това мнение.
"Искам да се противопоставя на схващането, че предлагането на интерпретации на квантовите теории няма да бъде полезно по някакъв начин, че то няма да добави нищо, освен може би една история към формализма", заявява той. "Мисля, че това ще допринесе за развитието на съвременната физика."
Ако се окаже прав, тогава физиците ще могат да твърдят отново, че реалността все пак е тяхно дело.
Източник: Can we solve quantum theory’s biggest problem by redefining reality?, New Scientist
Още по темата
Физика
Квантовият експеримент, който може да докаже, че реалността не съществува
Физика
Защо виртуалните частици не съществуват, но обясняват реалността - засега
Физика
Можем ли да разберем квантовата реалност, ако е невъзможно да я измерим?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари