Няма пространство, няма време, няма частици: Радикална визия за квантовата реалност

Мнозина свързват раждането на квантовата механика с малкия, обезлесен остров Хелголанд, където младият Вернер Хайзенберг отива през лятото на 1925 г. Там той очертава основите на това, което ще се превърне в най-блестящия и успешен начин за обяснение на реалността. В основата на неговия подход лежи решението да се съсредоточим изключително върху това, което наблюдателите биха открили, измервайки частиците.

Това е проблясък на гениалност, но той също така вкарва физиците в затруднено положение в продължение на 100 години. Голяма част от проблемите се свеждат до въпросите за това какво е наблюдател и какво точно представлява наблюдение.

Трябва ли да вярваме, че реалността по някакъв начин зависи от това дали я гледаме, пита Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), физик от Оксфордския университет, и заявява, че е крайно време "да се откажем от тази метафизична бъркотия".

"Мислил съм за квантовата теория през по-голямата част от кариерата си и стигнах до убеждението, че не се нуждаем от наблюдатели – няма смисъл да говорим за тях. Има много по-последователен и разумен начин за описание на квантовия свят".

В статия за New Scientist той споделя три убедителни експеримента, които могат да докажат неговата теза.

Рамката, която предлага Ведрал, макар да има много логичен смисъл, ни отвежда в непозната територия. Наблюдателите объркват нещата и е хубаво, че ги няма, но няма и частици, както и пространство, и време.

"Това са дълбоки води", признава Ведрал, "но си струва да се рови в тях, защото докато го правим, откриваме улики за това, което може да се крие отвъд квантовата теория, каквато я познаваме".

Като начало, нека направим една кратка обиколка на съвременната физика и паяжината от проблеми, които тя създава. Наблюдателите са били ключов принцип на физиката много преди квантовата механика: наистина, Те изиграват ключова роля в разработването на Специалната и Общата теория на относителността от Айнщайн. Последната теория гласи, че пространството и времето са слети в тъканта на пространство-времето и именно огъването на тази тъкан създава гравитация.

Едно от следствията от първоначалната идея е, че наблюдателите на места, където кривината на пространство-времето е различна, ще усещат времето да тече с различни относителни скорости.

Когато се преподава теория на относителността, често се говори за наблюдателите сякаш са хора. Но истината е, че преживяното време от всеки движещ се обект (дори, да речем, от атом) ще се променя спрямо обекти в различни гравитационни полета. Тези разлики не е необходимо да се регистрират чрез наблюдение, така че не се нуждаем от специална категория "наблюдатели", казва Ведрал.

Общата теория на относителността е първият от двата стълба на съвременната физика, другият е самата квантова теория. Същността на теорията е, че реалността е разделена на дискретни парчета на най-фундаментално ниво. Например, когато атомите приемат или отделят енергия, това се случва в пакети с определен размер, а не непрекъснато. Но наблюдателите също са включени в квантовата теория, защото тя разграничава частиците преди и след "наблюдение". Преди това се описват с помощта на вълновата функция, уравнение, което определя набор от възможни свойства – суперпозиция. След това се казва, че тя "колапсира" в определена стойност.

Проблемът е, че това поражда всякакви въпроси, най-основният от които е как и защо се случва колапсът. Това също така създава парадокси, като например приятеля на Вигнер, измислен преди десетилетия от физика Юджийн Вигнер. Той си е представял "приятел" в запечатана лаборатория, който прави квантово измерване, докато самият той чака отвън. Проблемът възниква, когато сравним...описанията на двамата души за реалността. Вигнер не е наблюдавал нищо, така че цялата лаборатория е описана от размитата вълнова функция. И все пак, за неговия приятел, има определен резултат. С този парадокс Вигнер се пита как знаем кога едно наблюдение става окончателно.

Има един стар философски въпрос за дървото в гората. "Чува ли се звук, ако дърво падне в гората и наблизо няма никой да го чуе?" Ако попитате квантов физик, той би казал, че звукът е там, но не може да сте сигурни, че дървото е там. Кредит: Rawpixel

Някои физици смятат, че трябва да променим квантовата теория, за да се справим с всичко това. Но Ведрал не мисли така и започва от феномена на квантовото вплитане, който Ервин Шрьодингер нарича "характерна черта" на квантовата теория. Квантовото вплитане често се възприема като мистериозно, но всъщност е просто специална връзка между два квантови обекта, така че когато измерим единия, веднага знаем нещо за свойствата на другия.

"Ето ключовия момент: когато говорим за "наблюдения", това, което всъщност имаме предвид", според Ведрал, "е моментът, в който две системи се преплитат една с друга. Въпреки че нещото, което се вплита, може да бъде човек – "наблюдател" – не е задължително да бъде човек".

Ведрал дава пример с известния експеримент с двойния процеп, в който частица светлина, или фотон, в суперпозиция, преминава през два процепа на екрана едновременно, създавайки интерференчен модел, когато попадне на втори екран. Но ако наблюдаваме през кой процеп преминава фотонът, тогава не се получава интерференция.

Класическият експеримент с двойния процеп разкрива странната двойнственост на квантовия свят, но може би всъщност той е още по-странен, отколкото предполагахме и може да постави под въпрос едно от основните допускания в квантовата механика. Кредит Russell Kightley/SPL

"Преди да заключите, че нашето наблюдение разрушава суперпозицията, имайте предвид, че ако вплетем нещо друго с фотона по начин, който разкрива през кой процеп преминава, получаваме същия ефект", посочва физикът.

"Така че трябва да спрем да говорим за "наблюдатели" и вместо това да говорим за вплитане. Между другото, този възглед разсейва и въпроса, който Вигнер повдигна със своя парадокс. Няма "краен" наблюдател – изобщо няма наблюдатели. Това, което всъщност се случва, е че Системата и наблюдателят (просто още една система) са вплетени.

Ведрал подчертава, че квантовата теория вече съдържа всичко необходимо, за да разберем реалността. Трябва само да приемем сериозно пълните ѝ последици – дори и да изглеждат странни.

Нереалността на частиците

Полето е обект, който съществува навсякъде и се променя с течение на времето, идея, въведена първоначално от Майкъл Фарадей в първата половина на 19 -ти век. В класическата теория на електромагнитното поле, стойностите на електрическото и магнитното поле са обикновени (или класически) числа, наречени c-числа, като например 5 метра. Всяка точка в пространството има три числа на електрическото поле и три числа на магнитното поле, които са ѝ присвоени.

В квантовата теория говорим за квантови полета, където всяка точка в пространството се описва не с единични числа, а с таблици с числа (матрици, за тези, които са учили математически анализ). Тези таблици се наричат ​​квантови числа или q-числа. Ето защо много хора приемат статията на Хайзенберг от 1925 г. за началото на квантовата физика: той е първият, който предлага да се преобразуват позициите и импулсите на частиците в q-числа. Тази разлика между c-числата и q-числата е проста, но съществена.

Не всеки обаче е готов да приеме сериозно пълните последици от квантовите полета. Когато физиците квантуват класическото електромагнитно поле, това предполагаше, че полето може да осцилира в повече режими, отколкото е било възможно преди. В квантовото поле има четири от тези режими и теорията предсказва, че полето би трябвало да може да се проявява като частици, в този случай фотони, във всеки един от тях. Но странното е, че можем да се открият фотони само в два от тези режими. Другите два се неутрализират и не могат да се засекат, дори по принцип. Следователно тези "фантомни" фотони са ненаблюдаеми, но неизбежни.

"Философски тревожно? Може би. Но това не е необичайно. Голяма част от науката работи по този начин. Постулираме (приемаме съществуването) нещата, защото обяснителната сила на една теория би се разпаднала без тях", обяснява Ведрал.

Тези странности просто трябва да се приемат. Киара Марлето (Chiara Marletto), също физик от Оксфордския университет, и Ведрал предполагат, че въпреки че тези "фантоми" не могат да бъдат директно открити, те трябва да бъдат вплетени с електрони при определени обстоятелства и това вплитане би могло, по принцип, да бъде открито.

Както посочват в статия от 2023 г., това би могло да се направи, като се постави електрон в суперпозиция, след което, ако двамата физици са прави, той би трябвало да се вплете с фантомиите и това би могло да се открие с правилния вид внимателно измерване. Това е труден експеримент, но със сигурност такъв, който е в обсега на съществуващите технологии. Би било квантов еквивалент на виждането на призрак.

Влатко Ведрал работи върху експеримент за заплитане в лабораторията. Кредит: Sunny Tiwari

Какво би означавало, ако този експеримент покаже, че тези фантоми могат да бъдат вплетени, както очаква Ведрал?

Най-базовото нещо, което обикновено се смята за способно да се вплита, е частица. Но фантомите не могат да се приемат за частици. Те представляват всъщност само q-числа в уравнение. Точно това е смисълът според Ведрал. Именно q-числата са фундаментални, а не човешката концепция за "частица". Просто така се случва частиците да имат q-числа и това ни е подвело да мислим, че първите са фундаменталните елементи на реалността, когато всъщност са вторите.

Има още един слой сложност, който подсилва аргумента на Ведрал, че частиците не са реални. Нека разгледаме отделна частица, да речем електрон. На езика на обикновената квантова теория бихме казали, че преди да измерим тази частица, тя е в суперпозиция от състояния. Тя е едновременно тук и там, и двете възможности са описани от q-числа. Но сега да променете перспективата си. Ако q-числата са същността на реалността, тези две q-числа могат да бъдат вплетени едно с друго. С други думи, може да се каже, че частица в суперпозиция може да бъде "вплетена със себе си".

Не всички физици биха приели това за възможно, но преди повече от 15 години Ведрал предлага експеримент, който може да определи истината, този път с колегата си Джейкъб Дънингам (Jacob Dunningham), сега в Университета на Съсекс, Великобритания. Взема се една частица и се прави нейното състояние делокализирано, така че да е в суперпозиция на две различни физически местоположения. За да се провери експериментално дали суперпозицията е вплетена, трябва да се направят отделни измервания на двете различни места и да се провери дали те нарушават т. нар. неравенство на Бел, критерий за вплетеност.

Вече има някои доказателства, че това вплитане на отделни частици се случва. Експерименти, проведени от Бьорн Хесмо в Кралския технологичен институт KTH в Швеция и колегите му през 2004 г. са показали, че отделните фотони, разделени между две позиции, нарушават неравенството на Бел. С други думи, фотоните не са фундаментални елементи на реалността – значение имат техните q-числа. Все пак фотоните са безмасови и никой все още не е правил това с обект с маса, като например атом или дори много по-лекия електрон, защото тези експерименти са трудни. Но Ведрал не се съмнява, че резултатът би бил същият.

Реални ли са пространството и времето?

Някои хора смятат това за последната граница на физиката и е свързана с най-големия открит проблем в областта, а именно комбинирането на тези два стълба на физиката, Общата теория на относителността и квантовата теория, в теория на квантовата гравитация.

Много изследователи мислят, че пространството и времето също трябва да са квантови.

Но Ведрал, който гледа на всичко като за съставено от q-числа, заема по-радикална гледна точка: пространството и времето изобщо не съществуват.

Подобно на "наблюдателите", те са удобни етикети – счетоводни инструменти – но няма съответстващи на тях физически обекти. Следователно, квантуването на гравитацията не означава квантуване на пространство-времето, а означава квантуване на гравитационното поле (преобразуване на c-числата на Айнщайн в q-числа) по същия начин, по който се квантуват други полета.

Кредит: Pixabay

Ведрал има по-радикална гледна точка: пространството и времето изобщо не съществуват.

"В края на краищата, в Общата теория на относителността, гравитационното поле се смята за ни повече, ни по-малко от огъване на пространство-времето. Но тук аз добавям обрат на нещата: изкривява се не пространството и не времето, а поле, подобно на електромагнитното, което държи цялата материя заедно. Атоми, молекули, часовници и линийки са свързани с електромагнетизма. Работата на гравитационното поле е да се свърже с тези полета и да им каже как да се огънат. За удобство говорим за тези полета, разположени върху невидима мрежа, която наричаме пространство-време. Това е добре, но нека не се заблуждаваме, че пространство-времето е фундаментално", призовава Ведрал.

Засега няма експеримент, който би могъл да докаже, че е прав.

"Но за мен всичко това е част от приемането на квантовата теория за чиста монета. Предполагам, че гравитацията трябва да бъде точно като всяко друго квантово поле."

И така: няма частици, няма пространство, няма време. Вместо това, според Ведрал основната съставка на природата е q-числото.

Как пълното възприемане на този принцип може да ни доведе до нови прозрения?

"Когато говорим за това как взаимодействат квантовите полета, използваме математически елемент, наречен квантов хамилтониан. Отдавна ме притеснява, че тези хамилтониани смесват q-числа с обикновени c-числа – например физични константи като скоростта на светлината или заряда на електрона. Това е рутинно, но не ми се струва правилно. През последния век физиците взеха класически уравнения и направиха някои от тях квантови. Но не би ли било по-спретнато и в духа на философията, която застъпвам, ако нашите уравнения бяха напълно квантови?"

Ведрал не е първият, който мисли така. През 80-те години на миналия век физикът Дейвид Дойч предлага да се елиминират напълно c-числата, заменяйки всички величини в квантовите хамилтониани в q-числа.

Това обаче би имало странни последици. Например да разгледаме скоростта на светлината, която в момента третираме като просто c-число. Ако я превърнем в q-число – което, не забравяйте, винаги описва точка в квантово поле – това би означавало, че има някакво ново квантово поле, свързано със скоростта на светлината. Подобно на квантуването на електромагнитното поле и се получиха тези досадни фантоми.

Представете си и че максимално вплетем атом и фотон. Ако има друго поле, което медиира това взаимодействие, то би трябвало да се присъедини към групата и да създаде вплетена система от три частици. Резултатът би бил, че силата на вплитането между фотона и атома би била по-слаба от очакваното.

По принцип, можем да си представим, че квантуването ще се развива на още по-дълбоко ниво. Q-числата са таблици с числа и лесно бихме могли да "надстроим" всички обикновени числа в такива таблици, за да бъдат самите те q-числа – и след това да направим същото отново. Таблици от таблици от таблици.

Тази идея на Ведрал може да бъде подложена на експеримент. Ако има допълнителни квантови полета, частиците би трябвало да са способни да се вплитат с тях. През 2022 г. Джим Франсън (Jim Franson) от Университета на Мериленд, предлага един метод за откриване на това вплитане – той е концептуално доста подобен на експеримента, който си представя Ведрал за откриване на фантомите. Никой не го е извършил досега, но е технологично възможен.

Това, което предлага Ведрал е безкраен фрактал, но макар философите да мразят безкрайността, природата не е задължена да уважава нашите философски скрупули. Вселената може просто да е бездънна яма, предлагаща на физиците неизчерпаем запас от загадки.

Източник: No space, no time, no particles: A radical vision of quantum reality, Vlatko Vedral, New Scientist

Още по темата

30/05/2025

Физика

След 100 години от старта на квантовата механика задава ли се нова революция?

04/06/2024

Физика

Времето може да е илюзия, създадена от квантовото вплитане

20/10/2023

Физика

Квантовият експеримент, който може да докаже, че реалността не съществува

17/01/2023

Физика

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