В самом сердце квантовой физики есть огромная дыра.
Она глубока. Однако это не мешает теории работать. Квантовая физика по всем параметрам потрясающе успешная штука. Эта теория лежит в основе почти всех современных технологий: от кремниевых процессоров, встроенных в мобильный телефон, до светодиодов в его экране; от ядерных двигателей самых успешных космических зондов до лазеров в сканерах касс супермаркетов. Квантовая физика хорошо объясняет, почему светит Солнце, и почему видят наши глаза. Квантовая физика работает.
Однако при этом дыра в ней никуда не девается. И несмотря на ошеломительный успех этой теории, наука до сих пор толком не понимает, что конкретно она говорит о нашей реальности. Да, математика квантовой физики делает невероятно точные предсказания результатов экспериментов и происходящих природных явлений. Это очевидно. Но несомненно и другое: чтобы делать это так хорошо, теория должна в своей основе содержать какую-то важную и глубокую истину о природе окружающего нас мира. Тем не менее среди учёных до сих пор существуют большие разногласия по поводу того, что именно теория квантовой физики говорит о том мире, в котором мы живём. Да и вообще - говорит ли она вообще что-нибудь о нём. Мы просто пользуемся ей, как есть. Как неким инопланетным артефактом. Работает? Отлично. Что там внутри? Да кто его знает...
Но даже самые простые вещи, на самом деле, очень трудно описываются в математике квантовой физики.
Вот пример. Допустим, Вы хотите описать положение одного крошечного объекта, расположение в пространстве всего одного электрона, простейшей известной субатомной частицы. Итак, мы знаем, что существует три пространственных измерения, поэтому можно ожидать, что для описания местоположения электрона потребуются три числа. Такой подход, безусловно, справедлив и в повседневной жизни: если Вы, мой дорогой читатель, невыносимо хотите знать, где я конкретно нахожусь, Вам нужно узнать мою широту, долготу и то, насколько высоко я нахожусь над землёй. Но оказывается, что в квантовой физике трёх чисел для этого недостаточно. Для описания местоположения электрона понадобится бесконечное количество чисел, разбросанных по всему пространству.
Этот бесконечный набор чисел называется «волновой функцией», поскольку эти числа, разбросанные по пространству, обычно изменяются плавно, волнообразно, как настоящая волна. Существует прекрасное уравнение, которое описывает, как волновые функции колеблются в пространстве, и называется оно «уравнение Шрёдингера» (в честь Эрвина Шредингера, австрийского физика, который впервые сформулировал его в 1925 году).
Волновые функции по большей части подчиняются уравнению Шредингера так же, как падающий камень подчиняется законам движения Ньютона: это что-то вроде закона природы. А что касается законов природы, то они довольно просты, хотя на первый взгляд могут показаться математически устрашающими.
Однако, несмотря на простоту и красоту уравнения Шрёдингера, волновые функции – довольно странные штуки. Первое, что сразу же бросается в глаза - зачем нужно так много информации (бесконечное количество чисел, разбросанных по всему пространству) только для того, чтобы описать положение одного объекта? Это означает, что электрон каким-то образом «размазывается»? Нет, конечно же, это совсем не так. Если реально начать искать электрон, он обнаружится только в одном месте. И когда Вы всё-таки его найдёте, произойдёт нечто еще более странное: волновая функция электрона временно перестанет подчиняться уравнению Шредингера. Вместо этого он «коллапсирует», и вся бесконечность чисел, описывающих его положение в пространстве, обратится в ноль. За исключением тех, которые описывают то место, где он находился в момент своего обнаружения.
Так. Но зачем же тогда все эти волновые функции? И почему они лишь иногда подчиняются уравнению Шрёдингера? В частности, почему они подчиняются уравнению Шрёдингера только тогда, когда никто не смотрит, где там конкретно находится этот несчастный электрон? Эти оставшиеся без ответа вопросы и порождают дыру в сердце квантовой физики. Последний вопрос, в частности, настолько знаменит, что ему даже дали специальное название: «проблема измерения».
Кажется, что проблема измерения должна разрушить всю эту странную квантовую физику. Что в ней означает «наблюдать»? Или «измерять»? На этот вопрос нет общепринятого ответа. А это, в свою очередь, означает, что мы на самом деле не знаем, когда уравнение Шредингера применимо, а когда нет. И если мы этого не знаем (если мы не знаем, когда использовать этот закон, а когда от него нужно отказаться) как тогда вообще можно использовать эту теорию?
Прагматический ответ заключается в том, что когда люди применяют законы квантовой физики, они склонны думать о ней только как о физике сверхмалых величин.
Обычно физики предполагают, что уравнение Шрёдингера на самом деле неприменимо к достаточно большим объектам, таким, как столы, стулья и коты, и всем остальным предметам и существам из нашей повседневной жизни. С практической точки зрения предполагается, что все они подчиняются классической физике Исаака Ньютона. И что уравнение Шрёдингера перестаёт применяться, когда один из этих объектов взаимодействует с чем-то из квантового мира. Это работает достаточно хорошо, чтобы получить в большинстве случаев правильный результат прогнозирования. Но почти никто из физиков по-настоящему не верит, что именно так на самом деле устроен мир.
Эксперименты последних нескольких десятилетий показали, что квантовая физика применима ко все более и более крупным объектам. И на данный момент мало кто сомневается, что она применима к телам всех размеров. И сегодня квантовая физика регулярно и успешно используется для описания самого большого из них, самой Вселенной, в области науки, называемой «физической космологией».
Но если квантовая физика действительно применима во всех масштабах, каков истинный ответ на проблему измерения? Что на самом деле происходит в квантовом мире? Исторически сложилось так, что стандартным ответом было утверждение, что проблемы измерения нет, потому что бессмысленно спрашивать, что происходит, когда никто не смотрит. То, что происходит, когда никто не смотрит, ненаблюдаемо, и поэтому бессмысленно говорить о ненаблюдаемых вещах. Эта позиция известна как «копенгагенская интерпретация» квантовой физики, получившая своё название в честь родины великого датского физика Нильса Бора. Этот человек является основным идеологом квантовой физики и главным «адептом» озвученной выше концепции.
Несмотря на свой исторический статус «ответа» на все эти странные квантовые вопросы, копенгагенская интерпретация, на самом деле, не отвечает ни на какие вопросы. Она на самом деле ничего не говорит о том, что происходит в мире квантовой физики. В своём упрямом молчании о природе реальности она не предлагает никакого объяснения того, почему квантовая физика вообще работает, поскольку не может указать ни на одну особенность реального квантового мира, которая хоть как-то напоминала бы математические структуры, лежащие в основе теории. В ней не существует убедительных логических или философских оснований для объявления ненаблюдаемых вещей бессмысленными. И слово «ненаблюдаемое» в любом случае определяется ненамного лучше, чем слово «измерение». Так что объявлять ненаблюдаемые вещи бессмысленными — очень расплывчатая позиция. Эта неопределённость с самого начала преследовала копенгагенскую интерпретацию; сегодня она даже стала неким собирательным ярлыком для нескольких взаимно противоречивых идей о квантовой физике.
Однако несмотря на множество проблем, копенгагенская интерпретация доминировала среди физиков на протяжении большей части 20-го века, поскольку позволяла им выполнять точные расчёты, не беспокоясь о сложных вопросах, лежащих в основе самой квантовой теории.
Но за последние 30 лет поддержка копенгагенской интерпретации сильно ослабла. Хотя многие физики по-прежнему поддерживают её. Опросы показывают, что она до сих пор устраивает большинство физиков. Но сегодня существуют и альтернативы, которые пользуются значительной поддержкой.
Наиболее известной из этих альтернатив является «многомировая» интерпретация квантовой физики, которая утверждает, что уравнение Шредингера всегда применимо и волновые функции никогда не коллапсируют. Вместо этого Вселенная постоянно разделяется, и все возможные исходы каждого события происходят где-то в другой вселенной.
Другая альтернатива, теория «волны-пилота», утверждает, что квантовые частицы управляются в своём движении некими волнами, и что они могут оказывать влияние на другие, «удалённые» волны со скоростью, превышающей скорость света.
Эти две идеи дают два совершенно разных описания реальности. Но обе они идеально согласуются с математикой квантовой механики.
Существуют также альтернативные теории, которые модифицируют математику квантовой физики, такие как «теория спонтанного коллапса», которая предполагает, что коллапс волновой функции не имеет ничего общего с измерением, а представляет собой естественный процесс, происходящий абсолютно случайно.
Есть очень много других альтернатив. Квантовые основы (область физики, занимающаяся решением проблемы измерения и другими основными вопросами квантовой теории) – это живой предмет, полный творческих идей.
Дыра в сердце квантовой физики все еще существует. И это серьёзная проблема, требующая решения.
Сможет ли наука раскрыть эту загадку – неизвестно. Сегодня ясно одно – проблемы, которые так долго «маскировались» копенгагенской интерпретацией, наконец-то получили то заслуженное внимание.
Исследование глубин квантовой дыры может открыть совершенно новый взгляд не только на квантовый мир, но и на природу самой нашей реальности.
Всем добра.
Рекомендую прекрасный подарок*👇
А ещё почитать есть? Конечно!👇 Главная страница канала
*Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543
