Великі таємниці фізики. Чи існує об’єктивна реальність?

Авторка: Міріам Френкель, ведуча подкасту, редакторка журналу The Conversation.

Інтерв’ю з К’ярою Марлето, дослідницею-фізикинею Оксфордського університету, Кристофером Тимпсоном, професором філософії фізики Оксфордського університету, Маркусом Губером, професором фізики Віденського технічного університету.

Важко позбутися думки, що існує реальний та об’єктивний фізичний світ. Якщо я бачу парасольку на полиці, я припускаю, що ви теж її бачите. А якщо я не дивлюся на парасольку, то очікую, що вона залишатиметься там доти, доки її хтось вкраде. Але теорія квантової механіки, яка керує мікросвітом атомів і частинок, ставить під сумнів припущення здоровому глузду.

У цій статті розкажемо про дивний світ квантової механіки.

Згідно з квантовою теорією, кожну систему, як-от частинка, можна описати хвильовою функцією, яка еволюціонує з часом. Хвильова функція дозволяє частинкам володіти кількома суперечливими властивостями, наприклад, перебувати в кількох різних місцях одночасно — це називається суперпозицією. Але, як не дивно, це відбувається лише тоді, коли ніхто не спостерігає.

Хоча кожне потенційне місце в суперпозиції має певну ймовірність появи, в ту ж секунду, коли ви її спостерігаєте, частинка випадковим чином обирає одне з них — руйнуючи суперпозицію. Фізики часто називають це колапсом хвильової функції. Але чому природа повинна поводитися по-різному залежно від того, дивимося ми на неї чи ні? І чому її поведінка має бути випадковою?

Не всіх це турбує. “Якщо ви хочете пояснити все, що ми можемо спостерігати в наших експериментах, без випадковості, вам доведеться вдатися до дуже дивних і довготривалих пояснень, які для мене набагато незручніші”, — стверджує Маркус Губер, професор квантової інформації у Віденському технічному університеті. І справді, ви можете позбутися випадковості, якщо вважатимете, що майбутнє може впливати на минуле, що існує більше одного результату кожного виміру або що все у Всесвіті визначено від самого початку.

Інша проблема полягає в тому, що квантова механіка, здається, призводить до суперечливих фактів. Уявіть собі науковицю Лізу в лабораторії, яка вимірює місцезнаходження частинки. Перед тим як її колега, Ніхіл, постукає у двері лабораторії і запитає, який результат вона побачила, він виміряє, що Ліза перебуває в суперпозиції — з одного боку, вона бачить частинку тут, а з другого — вона бачить частинку там. Але в цей самий час сама Ліза може бути переконана, що вона має точну відповідь на питання, де знаходиться частинка.

Це означає, що ці дві людини скажуть, що стан реальності відрізняється — вони матимуть різні факти про те, де знаходиться частинка.

У квантовій механіці є й інші дивацтва. Наприклад, частинки можуть бути переплетені таким чином, що дозволяє їм миттєво обмінюватися інформацією, навіть якщо вони знаходяться на відстані світлових років одна від одної. Це спростовує ще одне поширене уявлення про те, що для взаємодії об’єктів необхідний фізичний посередник.

Тому фізики давно сперечаються з приводу того, як інтерпретувати квантову механіку. Чи є вона істинним і об’єктивним описом реальності? Якщо так, то що відбувається з усіма можливими наслідками, які ми не вимірюємо? Багатосвітова інтерпретація стверджує, що вони відбуваються, але в паралельних всесвітах.

Інша група інтерпретацій відома під загальною назвою “копенгагенська інтерпретація”. Вона припускає, що квантова механіка є до певної міри “посібником для користувача”, а не досконалим описом реальності. “Копенгагенські інтерпретації об’єднує те, що вони принаймні частково відступають від всеохопної описової мети фізики”, — пояснює Крис Тимпсон, філософ фізики Оксфордського університету. “Отже, квантовий стан, тобто те, що описує ці чудові суперпозиції, — це всього лише інструмент для передбачення поведінки під час макроскопічних вимірювань”.

Але чому ми не бачимо квантового ефекту в масштабах людини? К’яра Марлето, квантова фізикиня з Оксфордського університету, розробила метатеорію під назвою “теорія конструктора” (англ. constructor theory), яка має на меті охопити всю фізику, ґрунтуючись виключно на простих принципах про те, які фізичні перетворення у Всесвіті в кінцевому рахунку можливі, а які неможливі, і чому.

Вона сподівається, що це допоможе нам зрозуміти, чому ми не бачимо квантових ефектів у макроскопічних масштабах людини. “У законах фізики немає нічого, що говорило б про неможливість квантових ефектів у масштабах людської істоти, — говорить вона. — Тому або ми відкриваємо новий принцип, який говорить, що вони справді неможливі, що було б цікаво, або за відсутності такого принципу потрібно прикласти більше зусиль для створення в лабораторії умов для виникнення цих ефектів.”

Ще одна проблема квантової механіки полягає в тому, що вона не сумісна із загальною теорією відносності, яка описує природу в найбільших масштабах. Марлето використовує теорію конструктора, щоб спробувати знайти способи поєднати ці дві теорії. Вона також розробила кілька експериментів, які можуть перевірити такі моделі і виключити певні інтерпретації квантової механіки.

З англійської переклали Ірина Бачуріна та Каріна Липка

Слухати англійську версію цієї статті онлайн: