"Какво всъщност е реалността?" - отговаря квантовата физика

Можем ли да избягаме от квантовата неопределеност, ако тя е просто "невежество"? Генерираме ли нови вселени със всеки свой избор?

През последните години физиците направиха няколко вълнуващи експерименти, с които се опитват да отговорят на тези въпроси, както и да определят "Какво всъщност е реалността?". Под това заглавие статия в Nature обобщава съвременните идеи и търсения в квантовата физика.

Оуен Маруни (Owen Maroney) е притеснен, че половин век физиците са въвлечени в голяма заблуда.

Според Маруни, физик от университета в Оксфорд, с появата на квантовата теория през 1900г, всички заговориха за странността на тази теория. Как тя позволява на частиците и атомите да се движат в няколко посоки едновременно или едновременно да се въртят по часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка. Но да се говори е едно, а да се доказва е съвсем друго, коментира Маруни. "Щом казваме на обществото, че квантовата теория е много странна, то трябва да проверим това твърдение експериментално" - заяви Маруни. - "В противен случай не правим наука, а разказваме за някакви завъртулките на дъската".

Именно това навело Маруни и колегите му на идеята да се разработи нова серия от експерименти, за да се разкрие същността на вълновата функция - загадъчната същност, лежаща в основата на квантовите странности. На хартия вълновата функция е просто математически обект, обозначен с гръцката буква пси (Ψ) (една от тези същите заврънтулки), и се използва, за да опише квантовото поведение на една частица. В зависимост от експеримента, вълновата функция позволява на учените да изчислят вероятността да се наблюдава електрона в някакво конкретно място или шанса спинът му да е насочен нагоре или надолу. Но математиката не казва какво всъщност е вълновата функция. Това нещо физическо ли е? Или просто изчислителен инструмент, за да борави със света невежият наблюдател?

Използваните за отговор на въпросите тестове са много фини и все още предстои да се даде еднозначен отговор. Но изследователите са оптимисти, че краят е близо. И най-накрая ще могат да отговорят на въпроса, който измъчва десетилетия всички. Може ли една частица реално да бъде на много места едновременно? Дали Вселената непрекъснато се разделя на паралелни светове, във всеки от които съществува алтернативна версия на нашия? Има ли въобще нещо, което може да се нарече "обективна реалност?"

"Такива въпроси рано или късно ще появят у всеки" - казва Алесандро Федричи (Alessandro Fedrizzi), физик от университета в Куинсланд (Австралия). "Какво всъщност е реално?"

Споровете за същността на реалността започнаха още когато физиците откриха, че вълна и частица са само две страни на една и съща монета. Класически пример е експериментът с двата процепа, където отделните електрони се изстрелват към преграда с два процепа - електронът се държи сякаш преминава през два процепа едновременно, създавайки интерференчна картина от другата страна. През 1926 г. австрийският физик Ервин Шрьодингер измисля вълновата функция, за да опише това поведение и извежда уравнение, което позволява да я изчисли за всяка ситуация. Но нито той, нито някой друг, не може да каже нищо за природата на тази функция.

Блажени са невежите

От практическа гледна точка нейната природа не е важна. Копенхагенската интерпретация на квантовата теория, създадена през 1920 г. от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг, използва вълновата функция просто като инструмент за предсказване на резултатите от наблюденията, което позволява да не се мисли за това, което се случва в същото време в реалността. "Не може да се обвиняват физиците за поведенито им "млъкни и смятай", защото това е довело до значителни постижения в ядрената и атомната физика, физиката на твърдото тяло и физиката на елементарните частици," - казва Джин Брикмонт (Jean Bricmont), специалист по статистическа физика в Католическия университет в Белгия. "Ето защо хора препоръчват да не се притесняваме за фундаменталните въпроси."

Но някои физици все пак се притесняват. 30-те години на миналия век Алберт Айнщайн отхвърля Копенхагенската интерпретация - не на последно място, защото тя позволява на две частици да се вплетат своите  вълнови функции, което води до ситуация, при която измерването на една от тях би могло мигновено да предаде състоянието си на другата, дори ако ги делят огромни разстояния. Вместо да се примири с това "призрачно действие на разстояние", Айнщайн предпочита да вярва, че вълновите функции на частиците са непълни. Той предполага, че може би частиците имат някакви скрити променливи, които определят резултата от измерването, които не квантовата теория не може да улови.

Експериментите оттогава насам доказаха ефективността на "призрачно действие на разстояние", което отхвърля концепцията за скритите променливи, но това не пречи на останалите физици го интерпретират всеки по свой начин. Тези интерпретации са разделени на два лагера. Някои са съгласни с Айнщайн, че вълновата функция е отражение на нашето невежество. Това философите наричат ​​пси-епистемични модели. Но другите разглеждат вълновата функция като на нещо истинско -  пси-онтични модели.

Илюстрация: fleetingstates

За да се разбере разликата, представете си мисловния експеримент на Шрьодингер, описан през 1935 г. в писмо до Айнщайн. Котка е в стоманена кутия. Кутията съдържа проба от радиоактивен материал, който има 50% вероятност да излъчи продукт на разпада за 1 час и да задейства механизъм, който отравя котка. Тъй като радиоактивният разпад е събитие, на квантово ниво, пише Шрьодингер, правилата на квантовата теория казват, че в края на часа на вълновата функция на вътрешността на кутията трябва да бъде смес от жива и мъртва котка.

"Грубо казано," - обяснява Федричи - в пси-епистемичния модел котката в кутията е или жива, или мъртва, а ние просто не го знаем, защото кутията е затворена." И в повечето пси-онтични модели съществува съгласие с Копенхагенската интерпретация: докато наблюдателят не отвори кутията, котката ще е едновременно и жива, и мъртва.

И тогава спорът отива в задънена улица. Кое тълкуване е вярно? На този въпрос е трудно да се отговори експериментално, тъй като разликата между моделите е много тънка. Ендрю Уайт, физик в университета в Куинсланд, заяви, че през 20-годишната си кариера в квантовите технологии "тази задача бе като огромна гладка планина без отстъпи, която е невъзможно да изкачиш."

Всичко се промени през 2011 г., с публикуването на теоремата за квантовите измервания (quantum measurements), която като че ли отстранява модела "вълновата функция като невежество". Но при по-внимателно вглеждане, се оказа, че тази теорема оставя все пак му оставя достатъчно място за маневриране. Независимо от това, вдъхновени от нея физици се замислят сериозно върху това как да разрешат спора като тестват реалността на вълновата функция. Маруни вече е разработил един експеримент, който по принцип работи, а той и колегите му скоро намерили начин да го накарат да заработи на практика. Експериментът се провежда през 2014 година от Федричи, Уайт и др.

За да разберете идеята на теста, представяте си две тестета карти. В едното има само червени, а в другото - само аса. "Дават ви една карта и искат да определите от коя колода е," - обяснява Мартин Рингбауер (Martin Ringbauerr), физик също от Университета в Куинсланд. Ако това е червено асо, "случва се сечение (сечение на множествата, конюнкция) и не може да се каже със сигурност". Но ако знаете колко карти има във всяка колода, може да се изчисли колко често може да се случи такава двусмислена ситуация.

Физиката е в опасност

Такава двусмисленост се случва и в квантовата системи. Не винаги може с едно измерване да се разбере например, как е поляризиран един фотон. "В реалния живот е лесно да се различат западната посока от леко югозападната, но в квантовите системи не е толкова лесно" - казва Уайт. Според стандартната Копенхагенска интерпретация, няма смисъл да се пита за поляризацията, тъй като въпросът няма отговор - засега едно измерване не определя отговора точно. Но съгласно модела "вълновата функция като невежество" въпросът има смисъл - просто в експеримента - като в този с тестетата карти - нямаме достатъчно информация от едно измерване за да отговорим. Както и с картите е възможно да се предскажат колко двусмислени ситуации може да се обяснят с това невежество и да се сравнят с по-големия брой двусмислени ситуации, разрешени от стандартната теория.

Именно това проверява Федричи с екипа си. Групата измерва поляризацията и други свойства в лъч фотони и намира нивото на сеченията, които не могат да бъдат обяснени с модели на "невежеството". Резултатът подкрепя алтернативната теория - ако съществува обективна реалност, то съществува и вълнова функция. "Впечатляващо бе, че екипът успя да реши такъв сложен проблем с прост експеримент," - коментира Андреа Алберти (Andrea Alberti), физик в университета в Бон (Германия)

Заключението все още не е желязно, защото детекторите улавят само около една пета от фотоните, използвани при изпитването, екипът трябваше да предположи, че изгубените фотони се държат по същия начин. Това е голямо допускане и екипът в момента работи да намали загубите и да получи по-подкрепен резултат. Междувременно екипът на Маруни в Оксфорд сътрудничи с групата от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия, за да изпълни подобни тестове с йони, които са по-лесни за проследяване от фотоните. "В рамките на следващите шест месеца бихме могли да имаме неоспорима версия на този експеримент", заяви Маруни.

Но даже ако успеят и спечели моделът "вълновата функция като реалност", то и тези модели имат различни варианти. Експериментаторите ще трябва да изберат един от тях.

Една от най-ранните интерпретации бе направена през 1920 г. от французина Луи дьо Бройл и разширена през 1950 г. от американеца Дейвид Бом. Според модела Бройл-Бом, частиците имат определено място и свойства, но се водят от някаква "пилотна вълна", която се определя като вълнова функция. Това обяснява експеримента с двата процепа - пилотната вълна може да премине през двата процепа и да даде интерференчна картина, въпреки че електрона, който се носи от нея, преминава само през единия от двата процепа.

^{Например, да разгледаме експеримента с двата процепа: В концепцията на дьо Бройл за пилотната вълна, всеки електрон минава през един от двата процепа, но се влияе от пилотна вълна, която се разделя и преминава през двата процепа. Подобно на плавей в течение, частицата се притегля на места, където се припокриват двата вълнови фронта и не отива там, където те взаимно се гасят.}

^{Дьо Бройл не може да предскаже точното място, където се намира самата частица - също както версията на събитията на Бор, теорията на пилотната вълна прогнозира само статистическото разпределение на резултатите (светлите и тъмни ивици) - но двамата учени тълкуват този недостатък по различен начин - Бор твърди, че частиците имат неопределени траектории, а дьо Бройл твърди, че това е така, защото не може да се измери първоначалната позиция на всяка частица достатъчно добре, за да се определи точно пътя ѝ.}

През 2005 г. този модел получи неочаквана подкрепа. Физикът Емануел Форт (Emmanuel Fort), работещ сега в Института Ланжвен в Париж, и Ив Кодие (Yves Couder) от Университета на Париж Дидро, задали на студентите проста, според тях, задача: да направят експеримент, в който капки масло, падащи върху тава, ще се сливат заради вибрациите на тавата. За изненада на всички около капчиците започнали да се образуват вълни, когато вибрациите на тавата станат с определена честота. "Капките започнаха да се движат самостоятелно по свои собствении вълни" - разказва Форт. "Това бе двойнствен обект - частица, носена от вълна".

Оттогава Форт и Кодие показаха, че такива вълни могат да носят свои частици в експеримента с двата процепа, точно както е предвидено от теорията на пилотната вълна, и могат да възпроизвеждат и други квантовите ефекти. Но това не доказва съществуването на пилотната вълна в квантовия свят. "Беше ни казано, че такива ефекти са невъзможни в класическата физика - отбелязва Форт. - "А тук ние показахме, че са възможни". (повече - Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност - Теорията на пилотните вълни)

Друг набор от модели, основани на реалността, разработен през 80-те години, се опитва да обясни голямата разлика между свойствата на малките и големи обекти. "Защо електроните и атомите могат да бъдат на две места едновременно, а масите, столовете, хората и котките - не могат" - коментира Анджело Баси (Angelo Bassi), физик от Университета в Триест (Италия). Известни като "колапсови модели", тези теории предполагат, че вълновите функции на отделните частици са реални, но те могат да загубят своите квантови свойства и да доведат частицата в определена позиция в пространството. Моделите са конструирани така, че шансовете за такъв колапс са извънредно малки за отделна частица, така че на атомно ниво доминират квантовите ефекти. Но вероятността за колапс нараства бързо при обединения на частиците и макроскопичните обекти напълно губят квантови свойства и се държат в съответствие със законите на класическата физика. (още - Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност - Теория на декохерентността)

Един от начините да се провери тази идея е да се търси квантово поведение във все по-големи и по-големи обекти. Ако стандартната квантовата теория е вярна, тогава няма да има ограничение за размера. И физиците вече проведоха експеримента с двата процепа, използвайки големи молекули. Но ако колапсовите модели са верни, тогава квантовите ефекти няма да бъдат очевидни над определена маса. Различни групи планират да търсят такова прекъсване като използват студени атоми, молекули, метални клъстери и наночастици. Те се надяват да видят резултати в рамките на едно десетилетие. "Това, което е страхотно във всички тези експерименти е, че ние ще подложим квантовата теория на високо прецизни тестове, където тя никога не е била тествана преди", казва Маруни. (Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност - Най-малкото братче на котката на Шрьодингер)

Паралелни светове

Един модел тип "вълновата функция като реалност" вече известен и обичан от писателите фантасти. Това е интерпретацията "мултиплициращи се вселени", разработена през 1950 г. от Хю Еверет, който по това време е бил студент в Принстънския университет в Ню Джърси. В този модел вълновата функция определя така силно развитието на реалността, че при всяко квантово измерване, вселената се разделя на паралелни светове. С други думи, отваряйки кутията с котката, ние генерираме две вселени - едната с мъртва котка, а другата - с жива.

Илюстрация: wikipedia

Трудно е да се раздели това тълкуване и стандартната квантова теория, защото техните прогнози съвпадат. Но 2014-та година, Хауърд Уайзман (Howard Wiseman) от Университета Грифит в Бризбейн и колегите му предлагат модел на мултиплициращи се вселени, който може да се провери. В техния модел няма вълнова функция - частиците се подчиняват на класическата физика, на законите на Нютон. A странните ефектио на квантовия свят възникват, тъй като между частиците и техните клонове в паралелните вселени има отблъскващи сили. "Отблъскващата сила между тях създава вълни разпространяващи се във всички паралелни светове," - заяви Уайзман.

С помощта на компютърна симулация, в която взаимодействат 41 вселени, те показали, че моделът възпроизвежда грубо няколко квантови ефекти, включително и траекториите на частиците в експеримента с двата процепа. Когато броят на световете се увеличи интерференчната картина се приближава до реалната. Тъй като предвижданията на теорията се различават в зависимост от броя на световете, обяснява Уайзман, може да проверите дали е верен моделът на мултиплициращите се вселени - тоест, че няма никаква вълнова функция, а реалността работи по класическите закони.

Тъй като при този модел не е необходима вълновата функция, той ще остане жизнеспособен, дори ако в бъдещите експерименти изключат модела с "невежеството". Освен него, ще оцелеят и другите модели, като Копенхагенската интерпретация, които твърдят, че не съществува обективна реалност, а само изчисления.

Но тогава, както пише Уайт, този въпрос ще се превърне в обект на изследване. Въпреки че никой не знае как да го направи, "това ще бъде наистина интересно - да се разработи тест, който проверява дали имаме някаква обективна реалност".

Още по темата

26/10/2015

Физика

Ефектът на Зенон е потвърден: атомите не се движат, ако ги гледате

12/08/2022

Човекът

На 12 август 1887 е роден квантовият физик Ервин Шрьодингер

16/06/2015

Физика

Защо котката на Шрьодингер е ни жива, ни умряла

28/05/2015

Физика

Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност