Можем ли да разберем квантовата реалност, ако е невъзможно да я измерим?

Ако не можем да измерим нещо, не можем да разберем истинската му природа. Това фундаментално ограничение пречи на разбирането ни за квантовия свят, но не пречи на научното мислене.

Повечето от нас интуитивно усещат, че реалността би трябвало да съществува сама по себе си, когато не я наблюдаваме. Ако едно дърво падне в гората, когато няма никой наоколо, който да чуе падането, въздухът продължава да вибрира със звукови вълни, нали? И все пак това е трудна за доказване теза, която става още по-хлъзгава, когато разглеждаме неща, които изглежда съществуват, но които никога няма да можем да наблюдаваме. Да отговорим на въпроса как да измерим неизмеримото обаче може да ни помогне да разберем каква наистина е реалността.

Има няколко сфери, в които самите природни закони ни забраняват да навлизаме.

Нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, което означава, че никога няма да видим отвъд границата на наблюдаемата Вселена - максималното разстояние, което светлината може да измине, за да достигне до телескопите ни от началото на Вселената. Общата теория на относителността постановява, че нищо не може да избяга от вътрешността на черна дупка, така че това е друга забранена зона.

Но може би най-основното ограничение на това, което можем да измерим, идва от законите на квантовата физика. Тези закони ни казват, че ако днес измерим някакво свойство на квантова частица, то е невъзможно да знаем дали ще получим същия резултат, когато я измерим с идентична апаратура утре. В този смисъл законите на квантовата механика не са като класическите закони за движението на Исак Нютон, които дават категорични предсказания. Вместо това те могат само да предскажат как нещата се държат средно.

Проблемът с измерването

Традиционното тълкуване на тези факти е, че частиците съществуват в облак от много възможни състояния едновременно, описани с математическа конструкция, известна като вълнова функция. Идеята е, че вълновата функция колапсира в едно единствено състояние, до степен на сигурност, само при измерване. Ако това е така, преди да я разгледаме, реалността е един вид мъгла от възможности и познанията ни за нея са в най-добрия случай неясни.

Но не всички споделят това мнение. 

За Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), физик от Оксфордския университет, е грешка да се прави разлика между частица, която се придържа към правилата на квантовата теория, и наблюдател или измервателен апарат, който следва законите на класическата физика. Той смята, че в крайна сметка всичко е квантово и трябва да разглеждаме реалността като една гигантска, универсална вълнова функция.

Ако приемем, че вълновите функции са същността на реалността, това поставя квантовата физика в нова светлина. Всичко има вълнова функция и всички те са квантово вплетени една в друга, което означава, че измерването на една от тях влияе на останалите. Така че не можем да мислим за измерване на изолирани обекти в традиционния научен смисъл, защото измервателната апаратура и измерваният обект винаги си взаимодействат. С други думи, реалността, такава, каквато я виждаме, е продукт както на наблюдателя, така и на разглеждания обект, а не някакъв самостоятелен реален поглед върху този обект, който изглежда извън нас.

"Системите могат да се изолират единствено несъвършено", подчертава Носон Янофски (Noson Yanofsky) от Бруклинския колеж в Ню Йорк. "Това води до липсата на знания."

Дали обаче това наистина е ограничение, зависи от гледната точка.

"Това е ограничение, само ако мислите в термините на тези стари концепции", посочва Ведрал.

^{Кредит:  Public Domain Pictures}

Релационна квантова механика

Много физици споделят мнението, че прокарването на ясна граница между малките квантови обекти и по-големите класически обекти е проблем. Но мненията се различават по въпроса как точно да се интерпретира квантовата сфера.

Карло Ровели (Carlo Rovelli) от Университета Екс-Марсилия във Франция не смята, че вълновата функция е реален обект. Той работи върху алтернативна идея, известна като релационно тълкуване на квантовата механикаа, чийто резултат е, че обектите не съществуват независимо един от друг. Според нея всичко съществуващо съществува само във връзка с други неща, включително и с нас. Квантовите обекти нямат независима реалност. Вместо това те съществуват само като взаимоотношения, заявява Ровели.

„Открихме, че в основата на физическата реалност не са частици, а релационни връзки“, посочва Ровели. „Всеки обект се определя от начина, по който взаимодейства с нещо друго. Така че, когато не си взаимодейства, просто не съществува. Обектът е съвкупността от начините, по които той влияе на други обекти около себе си – обектът съществува, отразен във всичко останало."

Това твърдение не подлежи на проверка, но това не притеснява Ровели.

"Науката не се занимава само с неща, които могат да се проверяват директно", посочва Ровели. "Става дума и за намиране на правилната концептуална структура, която работи."

С други думи, Ровели смята, че макар и да не може да се види ключа и да се определи дали той ще завърти ключалката, ако това е правилният ключ, вратата ще се отвори. И според него релационният начин на мислене може да разкрие тайните на Вселената, като може би в крайна сметка обедини квантовата теория с гравитацията. "Основната ми работа е да разбера квантовата гравитация: квантовите аспекти на пространството и времето. И мисля, че този релационен начин на разбиране на квантовата механика ще работи много по-добре".

Информационният парадокс и тъмната материя

И така, къде се намира тъмната материя? Според него ще бъде възможно да се хвърли светлина върху това, като се приложат релационните идеи към черните дупки. През 70-те години на миналия век Стивън Хокинг доказва, че черните дупки бавно излъчват радиация, губят маса и накрая изчезват от Вселената. Резултатът от това е, че всичко, което някога е погълнала една черна дупка, също трябва да изчезне, включително цялата информация, която се съдържа в тези обекти. Тъй като квантовите закони не позволяват информацията да изчезне от Вселената, физиците наричат това информационен парадокс на черната дупка. Те водят разгорещени спорове за това какво точно се случва и какво ни казва парадоксът за фундаменталните закони, които управляват физиката.

Релационната квантова механика може да ни доведе до отговор, заявява Ровели.

"Надеждата ми е, че мислейки за квантовата механика по този релационен начин, можем да разберем какво се случва с черните дупки", посочва физикът. Подозрението му е, че остатъците от черна дупка, за които се смята, че остават, след като процесът на изпарение на Хокинг е приключил, могат да се превърнат в нещо, което прилича на тъмна материя. Той далеч не е сигурен, че това ще се получи, но и това е нормално.

"Добрият учен никога не е сигурен", отбелязва Ровели.

^{Илюстрация на свръхмасивна черна дупка. Кредит: NRAO/AUI/NSF}

Напредъкът в квантовата физика

Ровели не се притеснява от възможността да греши и е спокоен оптимист за бъдещето на физиката, въпреки многото предупреждения, че тази област е изпаднала в криза. Вярно е, че тя почти цял век се проваля в търсенето на тъмната материя, повече от век се съмнява в смисъла на квантовата физика и няколко десетилетия безплодно търси работеща теория на квантовата гравитация. Но физиката не е "затънала", заявява той. "Имаме огромен напредък. Научихме много нови експериментални факти - например, че не съществува суперсиметрия".

Суперсиметрията - хипотезата, че може да бъде открит набор от частици, които са огледални на тези, за които вече знаем - би била проблем за някои теории за квантовата гравитация, обяснява Ровели. За него фактът, че в Големия адронен колайдер не са открити суперсиметрични частици, както предсказваха някои, е повод за празник, а не за ужас. "Това е добър знак от природата".

_{Кредит: Wikimedia Commons}

Ще видим ли пълно описание на същината на реалността?

А какво можем и какво не можем да знаем за нашата вселена и дали ще доживеем да видим пълно описание на същината на реалността?

"Не мисля, че има смисъл да мислим, че съществува окончателна реалност", обяснява Ровели.

"Една гора, погледвата отдалеч, е просто едно кадифено зелено петно, но после се приближаваме и виждаме дърветата: те са истински. След това виждате, че стволовете са истински, и виждате, че атомите в стволовете са истински. Реалността е съвкупност от всички тези неща: всички те са реални, просто става въпрос за това да разбираме нещата все по-добре и по-добре и по-добре. Трябва да излезем от тази нагласа, че окончателната реалност е материята или езикът, или Бог, или умът, или духът."

Ровели се отнася с подобно пренебрежение към търсенето на "окончателна" теория. "Не бива да търсим окончателната теория; трябва да се стремим да решаваме по един проблем в даден момент", смята физикът. "Ние не разбираме квантовите свойства на пространство-времето? Нека да проучим това. Не разбираме черните дупки? Нека да проучим това."

Именно във всяко от тези търсения намираме удовлетворение и всяко от тях осигурява допълнителни пластове на разбиране, отбелязва Ровели.

Освен това има вероятност - макар и малка - един ден да открием начин да надникнем в квантовата мъгла, без колапс на вълновата функция. Ако законите на физиката казват, че нещо е невъзможно, това важи само докато самите закони са в сила. Може да се появи по-задълбочена версия на квантовата теория, която да направи невъзможното възможно.

Но Ведрал не се надява, че ще се появи отново един определен, предсказуем свят. "Вероятно ще бъде още по-странно", смята той.

Източници:

How can we understand quantum reality if it is impossible to measure?, Michael Brooks,  New Scientist

Carlo Rovelli on the bizarre world of relational quantum mechanics, Michael Brooks, New Scientist