Квантовая теория имеет странные следствия. Попытка объяснить их только делает вещи еще более странными.
Ключевые выводы
- Странная квантовая теория бросает вызов тому, что мы испытываем в нашей повседневной жизни.
- Квантовая странность быстро привела к расколу в сообществе физиков, и каждую сторону отстаивали гиганты: Альберт Эйнштейн и Нильс Бор.
- Как показывают две недавние книги, в которых излагаются противоположные взгляды, дебаты все еще бушуют почти столетие спустя. Каждое «разрешение» имеет высокую цену.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, два гиганта науки 20го века, придерживались совершенно разных мировоззрений.
Для Эйнштейна мир был в конечном счете рациональным. Все должно было иметь смысл. Они должны поддаваться количественному измерению и выражаться через логическую цепочку причинно-следственных взаимодействий, начиная с того, что мы испытываем в нашей повседневной жизни, и заканчивая глубинами реальности. Для Бора мы не имели права ожидать такого порядка или рациональности. Природа на своем глубочайшем уровне не обязана следовать нашим представлениям о благопристойном детерминизме. Вещи могли быть странными и недетерминированными, пока они становились более похожими на то, что мы ожидаем, путешествуя из мира атомов в наш мир деревьев, лягушек и автомобилей. Бор разделил мир на две сферы: знакомый классический мир и незнакомый квантовый мир. Они должны дополнять друг друга, но с очень разными свойствами.
Два ученых десятилетиями спорили о влиянии квантовой физики на природу реальности. У каждого из них были группы физиков-последователей, все они были собственными гигантами. В группу Эйнштейна, отрицавшую квантовые странности, входили пионеры квантовой физики Макс Планк, Луи де Бройль и Эрвин Шредингер, а в группу Бора входили Вернер Гейзенберг (известный принципом неопределенности), Макс Борн, Вольфганг Паули и Поль Дирак.
Почти столетие спустя споры продолжаются.
Эйнштейн против Бора, Redux
Две книги - одна написана Шоном Кэрроллом и опубликована прошлой осенью, а другая опубликована совсем недавно и написана Карло Ровелли - прекрасно иллюстрируют, как современные ведущие физики до сих пор не могут понять природу квантовой реальности. Противоположные позиции все еще перекликаются, хотя и со многими современными поворотами и экспериментальными обновлениями, изначальным спорам Эйнштейна и Бора.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, два гиганта науки 20-го века, придерживались совершенно разных мировоззрений.
Я резюмировал продолжающийся спор в своей книге «Остров знаний»: являются ли уравнения квантовой физики вычислительным инструментом, который мы используем, чтобы понять результаты экспериментов (Бор), или они должны быть реалистичным представлением квантовой реальности (Эйнштейн)? Другими словами, являются ли уравнения квантовой теории реальностью или просто полезной картой?
Эйнштейн считал, что квантовая теория в том виде, в каком она существовала в 1930-х и 1940-х годах, была неполным описанием мира очень маленьких. Должен существовать какой-то базовый уровень реальности, до сих пор неизвестный нам, который объясняет всю ее странность. Де Бройль, а позднее Дэвид Бом предложили расширение квантовой теории, известное как теория скрытых переменных, которое попыталось заполнить пробел. Это была блестящая попытка удовлетворить стремление Эйнштейна и его последователей к упорядоченному миру природы, предсказуемому и разумному. Цена - а каждая попытка решить проблему выяснения квантовой теории имеет свою цену - заключалась в том, что вся Вселенная должна была участвовать в определении поведения каждого отдельного электрона и всех других квантовых частиц, что подразумевает существование странной космической системы. заказ.
Позже, в 1960-х годах, физик Джон Белл доказал теорему, которая подвергла проверке такие идеи. Серия замечательных экспериментов, начавшихся в 1970-х годах и продолжающихся до сих пор, по существу опровергла гипотезу де Бройля-Бома, по крайней мере, если мы ограничим их идеи тем, что можно было бы назвать «разумным», то есть теориями, которые имеют локальные взаимодействия и причины. Вездесущность - то, что физики называют нелокальностью - в физике трудно проглотить пилюлю.
Тем не менее, квантовый феномен суперпозиции настаивает на том, чтобы вещи оставались странными. Вот один из способов изобразить квантовую суперпозицию. В своего рода психоделическом сне представьте, что у вас есть волшебная гардеробная, заполненная одинаковыми рубашками, единственная разница между которыми заключается в их цвете. Что волшебного в этом шкафу? Что ж, когда вы входите в этот шкаф, вы разделяетесь на идентичные копии самого себя, каждая из которых носит рубашки разного цвета. Есть вы в синей рубашке, другой в красной, третий в белой и т. д., и все они счастливо сосуществуют. Но как только вы выходите из шкафа или кто-то или что-то открывает дверь, выходите только вы один, одетый в одну-единственную рубашку. Внутри туалета вы находитесь в состоянии суперпозиции со своими другими «я». Но в «реальном» мире, где вас видят другие, существует только одна ваша копия, одетая в одну рубашку. Вопрос в том, так ли реальна внутренняя суперпозиция многих вас, как та, которая возникает снаружи.
Для Эйнштейна мир был в конечном счете рациональным… Для Бора мы не имели права ожидать такого порядка или рациональности.
Команда (современная версия) Эйнштейна сказала бы да. Уравнения квантовой физики следует воспринимать как реальное описание того, что происходит, и если они предсказывают суперпозицию, пусть будет так. Так называемая волновая функция, описывающая эту суперпозицию, является неотъемлемой частью физической реальности. Этот момент наиболее резко раскрывается многомировой интерпретацией квантовой физики, поддержанной в книге Кэрролла. Для этой интерпретации реальность еще более странная: в шкафу много дверей, каждая из которых ведет в другую вселенную. Как только вы выходите, все ваши копии выходят вместе, каждая в параллельную вселенную. Так что, если я увижу тебя в синей рубашке в этой вселенной, то в другой я увижу тебя в красной. Ценой многомировой интерпретации является признание существования бесчисленного количества не сообщающихся параллельных вселенных, которые реализуют все возможности из суеверного состояния. В параллельной вселенной не было пандемии COVID-19. Не слишком утешительно.
Команда Бома сказала бы, что нужно принимать все как есть. Если вы вышли из шкафа и кто-то увидел вас в рубашке заданного цвета, то это он. Период. Странность ваших многочисленных накладывающихся друг на друга личностей остается скрытой в квантовом шкафу. Ровелли защищает свою версию этого мировоззрения, называемую реляционной интерпретацией, в которой события определяются взаимодействиями между вовлеченными объектами, независимо от того, являются ли они наблюдателями или нет. В этом примере речь идет о цвете вашей рубашки, и когда я его вижу, я запутался в этой конкретной вашей рубашке. Можно было бы и другого цвета, но нет. Как пишет Ровелли, «запутанность… есть проявление одного объекта в другом в ходе взаимодействия, при котором свойства объектов становятся актуальными. Цена, которую придется заплатить здесь, - это отказ от надежды когда-либо по-настоящему понять, что происходит в квантовом мире. Что мы измеряем, то и получаем, и все, что мы можем об этом сказать.
Во что мы должны верить?
И Кэрролл, и Ровелли являются мастерами разъяснения науки широкой публике, причем Ровелли более лиричен из этой пары.
Разрешения, конечно, ожидать не приходится. Я, например, больше склоняюсь к мировоззрению Бора и, следовательно, к мировоззрению Ровелли, хотя интерпретация, к которой я больше всего симпатизирую, называемая КБизмом, не объяснена должным образом ни в одной книге. По духу он гораздо ближе к Ровелли, поскольку отношения важны, но он ставит наблюдателя в центр внимания, учитывая, что в конечном итоге важна информация. (Хотя, как признает Ровелли, слово «информация» - многозначное слово.)
Мы создаем теории как карты для нас, людей-наблюдателей, чтобы понять реальность. Но в азарте исследований мы склонны забывать тот простой факт, что теории и модели - это не природа, а наши представления о природе. Если мы не лелеем надежду на то, что наши теории на самом деле таковы, каков мир (лагерь Эйнштейна), а не так, как мы, люди, описываем его (лагерь Бора), почему мы должны ожидать чего-то большего?