Мы думаем о физической реальности как о том, что существует объективно, независимо от любого наблюдателя. Но теория относительности и квантовая физика говорят об обратном.
Ключевые выводы
- Старый философский вопрос: "Если в лесу падает дерево, но рядом нет никого, кто мог бы это услышать, издает ли оно звук?" кажется, очевидно, есть ответ: да.
- Каждый раз, когда дерево падает, его ствол ломается, его ветки сталкиваются с другими и оно сталкивается с землей. Каждое из этих действий должно издавать звук.
- Но теория относительности учит нас, что звук, который слышит каждый наблюдатель, связан с его положением и движением, а квантовая физика говорит нам, что акт наблюдения изменяет квантовое состояние этой системы. Что все это означает для существования «объективной реальности»?
Если и есть что-то, в чем большинство из нас может быть уверено, так это то, что наблюдаемая нами физическая реальность действительно существует. Хотя за этим выводом всегда стоят какие-то философские предположения, это предположение не противоречит ничему из того, что мы когда-либо измеряли ни при каких условиях: ни с помощью человеческих органов чувств, ни с помощью лабораторного оборудования, ни с помощью телескопов или обсерваторий, ни под воздействием только природы, ни с особым вмешательством человека. Реальность существует, и наше научное описание этой реальности возникло именно потому, что эти измерения, проведенные где угодно и в любое время, согласуются с этим самым описанием самой реальности.
Но ранее вместе с нашим представлением о реальности существовал ряд предположений, которые больше не являются общепризнанными, и главное из них заключается в том, что сама реальность существует таким образом, который не зависит от наблюдателя. или меритель. На самом деле, два величайших достижения науки 20-го века - теория относительности и квантовая механика - прямо бросают вызов нашему представлению об объективной реальности и скорее указывают на реальность, которую нельзя отделить от акта наблюдения за ней. Вот странная наука о том, что мы знаем сегодня о понятии объективной реальности.
Во время сближения космического корабля "Вояджер-1" с Юпитером в 1979 году на поверхности Юпитера была замечена короткая "точка" света, представляющая собой первый наблюдаемый болид в атмосфере Юпитера. Юпитер переживает как минимум в несколько тысяч раз больше таких событий, чем Земля, поскольку его гравитация притягивает к себе большое количество объектов, которые в противном случае не столкнулись бы с ним, несмотря на его огромные размеры. Мы думаем, что эти объекты сталкиваются с Юпитером независимо от того, наблюдаем мы их столкновение или нет.
Объективная реальность
Проще говоря, основная идея состоит в том, что реальность существует, и она существует таким образом, что не зависит от кого-либо или чего-либо, что контролирует или наблюдает за реальностью. Частицы обладают массой, зарядом и другими внутренними свойствами, которые не изменяются независимо от:
- кто измеряет,
- где они,
- как быстро они движутся,
- какое свойство измеряется,
- или каким образом было получено измерение.
Это большая фундаментальная идея науки: «реальность» чего-либо совершенно не зависит от того, исследуется ли оно и каким образом.
Но это только предположение. Конечно, мы видим, что законы физики и фундаментальные константы природы не меняются ни во времени, ни в пространстве: здесь атом водорода имеет тот же набор линий излучения и поглощения, что и атом водорода, излучающий много миллиардов света. лет или много миллиардов лет назад. Протон имеет ту же массу покоя в Антарктиде, что и на Международной космической станции, и в любой галактике во Вселенной. Как показывают эти примеры, мы можем констатировать, что это предположение верно лишь в той степени, в какой мы способны подвергнуть его экспериментальной проверке и проверке с помощью наблюдений.
Разные системы отсчета, включая разные положения и движения, будут видеть разные законы физики (и не будут соответствовать реальности), если теория не является релятивистски инвариантной. Тот факт, что у нас есть симметрия относительно «ускорений» или преобразований скорости, говорит нам, что у нас есть сохраняющаяся величина: линейный импульс. Это гораздо труднее понять, когда импульс - это не просто величина, связанная с частицей, а скорее квантово-механический оператор.
Это очень хорошо подтверждалось физикой на протяжении большей части ее истории, от Галилея до Ньютона, от Фарадея до Максвелла. Закон всемирного тяготения казался одним и тем же универсальным законом везде, где мы могли видеть, от объектов здесь, на Земле, до объектов, которые вращаются вокруг Земли, до планет, лун и комет, которые вращаются вокруг других объектов, кроме Земли. Гравитационная постоянная действительно была постоянной; законы движения оказались одинаковыми для всех, и если бы два разных человека измерили положение, движение или ускорение объекта, а также время, необходимое для перемещения между разными точками, они оба получили бы один и тот же ответ..
Первоначально казалось, что это применимо как к электромагнетизму, так и к классической механике. Законы электричества и магнетизма были одинаковы везде, куда бы мы ни посмотрели, и применялись к зарядам в покое и в движении - с любой скоростью - одинаково хорошо. Не имело значения, были ли это радиоактивные частицы, такие как альфа-частицы (ядра гелия) или бета-частицы (электроны), или же это были огромные наборы зарядов, подобные тем, которые можно найти в заряженном генераторе Ван де Граафа. Заряды могут вести себя по-разному в проводниках или изоляторах, и природа этих материалов может влиять на то, как в них движутся заряды, но законы, константы и то, что измеряется, будут непротиворечивыми независимо от установки.
Аполлон-10, известный как «генеральная репетиция» посадки на Луну, на самом деле был оснащен всеми аппаратами, которые позволили бы им самостоятельно приземлиться на поверхность Луны. Они подошли к Луне ближе, чем любая предыдущая миссия с экипажем, и подготовили почву для реальной высадки на Луну, которая состоялась с Аполлоном-11 в июле 1969 года. Для всего проекта требовалась только ньютоновская физика.
Относительность
Ситуация начала меняться с открытием сокращения длины и замедления времени, что в конечном итоге привело к революции теории относительности Эйнштейна. Если бы вы выпустили снаряд из состояния покоя здесь, на Земле, все, кто стоял бы рядом, смогли бы измерить, как быстро он летит, и измерили бы ту же скорость; единственные различия будут заключаться в том, в каком направлении они видят движение снаряда, поскольку кто-то «позади» снаряда увидит, как он удаляется от них, а кто-то «перед» снарядом увидит, как он движется к ним.
Если снаряд находился на движущейся платформе и/или если наблюдатели находились на движущейся платформе, теперь они могли бы измерять разные скорости друг относительно друга, а также разные направления. Однако, если бы вы знали, с какой скоростью движутся различные платформы, каждый наблюдатель мог бы легко воссоздать то, что увидел бы любой другой наблюдатель.
Но что, если вместо обычного снаряда вроде пушечного ядра это была частица, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света? На самом деле, что, если бы это был сам свет? Внезапно эти старые законы перестали работать. Ведь всякий, кто наблюдает свет, всегда видит, что он движется с одной и той же скоростью: с, или 299 792 458 м/с.
Световые часы, образованные фотоном, отражающимся между двумя зеркалами, определят время для любого наблюдателя. Хотя два наблюдателя могут не согласиться друг с другом относительно того, сколько времени проходит, они согласятся с законами физики и константами Вселенной, такими как скорость света. При правильном применении теории относительности их измерения окажутся эквивалентными друг другу, поскольку правильное релятивистское преобразование позволит одному наблюдателю понять наблюдения другого.
Внезапно такие понятия, как пространство и время, перестали быть объективными частями реальности, а существовали только относительно наблюдателя. В приведенном выше мысленном эксперименте два наблюдателя измеряют, сколько времени требуется свету, чтобы подняться от пола к зеркалу наверху, а затем снова опуститься к полу. Этот тип установки, известный как световые часы, должен давать одинаковый результат для любого наблюдателя, будь то в состоянии покоя или в движении.
Но наблюдателю, находящемуся в состоянии покоя, световые часы в движении будут казаться более медленными, и на самом деле будет казаться, что время движется медленнее для движущегося человека по сравнению с ними. Точно так же для движущегося наблюдателя их световые часы, казалось бы, идут с нормальной скоростью, но световые часы в покое, которые, казалось бы, движутся относительно них, будут казаться более медленными, и время будет идти медленнее. кажутся более медленными для всех, кто не находился в движении вместе с наблюдателем и его часами.
Точно так же расстояние между двумя объектами, мера расстояния, может быть определена только относительно наблюдателя. И такие понятия, как «одновременный», снова могут быть определены только для двух наблюдателей, находящихся в состоянии покоя в одном и том же месте. На самом деле, если бы мы могли измерить «время» достаточно точно, наблюдатели, находящиеся в разных местах или движущиеся с разными скоростями или направлениями, даже получили бы разные результаты для простого примера «Когда этот снаряд ударился о землю?»
В ньютоновской (или эйнштейновской) механике система будет развиваться с течением времени в соответствии с полностью детерминированными уравнениями, что должно означать, что если вы можете знать начальные условия (например, положения и импульсы) для всего в вашей системе, вы должны быть в состоянии развить его без ошибок, произвольно продвигаясь вперед во времени. На практике из-за невозможности узнать начальные условия с действительно произвольной точностью, в том числе когда мы учитываем наличие квантовой неопределенности, это неверно.
Как оказалось, не только изменения положения или движения могут влиять на такие вопросы, как «Насколько далеко находится этот объект?» «Как долго длилось это явление?» или «Какое событие произошло первым?» Кроме того, на ответ могут повлиять изменения кривизны самого пространства-времени, то есть эффекты гравитации. Время растягивается не только тогда, когда вы приближаетесь к скорости света, но и когда вы находитесь в более сильном гравитационном поле. Присутствие и распределение материи и энергии влияет на то, как мы воспринимаем пространство и время, поэтому свет искривляется, когда он проходит слишком близко к массе, и почему время замедляется, когда вы приближаетесь к горизонту событий черной дыры.
На самом деле, некоторые очень странные и противоречащие интуиции наблюдения могут возникнуть как следствие того факта, что объективной меры «пространства» или «времени» не существует. Если в далекой галактике взорвалась сверхновая звезда, вы могли бы ожидать, что свет достигнет ваших глаз в определенное, заранее определенное время. Но если между вами и этой сверхновой находится большая масса, это может фактически исказить промежуточное пространство, в результате чего появятся несколько изображений одной и той же галактики и сверхновой: свет от сверхновой приходит в разное, неодновременное время на каждом изображении, где он появляется. Пространство и время могут быть реальными, но они не реальны объективно; только реально относительно каждого отдельного наблюдателя или измерителя.
Эта серия изображений, полученных с помощью космического телескопа Хаббл, показывает четыре изображения одной и той же галактики, вытянутые в дуги с помощью гравитационного линзирования. В 2016 году мы запечатлели сверхновую на одном из этих изображений (обозначенном SN1), а затем увидели второе и третье, разделенные в общей сложности примерно 6 месяцами. Основываясь на реконструированной геометрии линзирующего скопления переднего плана, мы можем ожидать увидеть четвертый повтор в месте, обозначенном SN4, в 2037 году.
Квантовая физика
В квантовой сфере все становится еще более нелогичным, поскольку результат эксперимента или наблюдения зависит от вашего метода наблюдения или измерения и от того, делаете ли вы его вообще.
Рассмотрим, например, знаменитый эксперимент с двумя щелями (иногда известный как двухщелевой). Если вы попытаетесь бросить большое количество мелких предметов через барьер с двумя вырезанными в нем прорезями, вы ожидаете, что эти предметы соберутся у стены за барьером в две кучки: одна соответствует прорези слева, а другая соответствует прорези слева. щель справа. Именно это и происходит в макроскопическом мире, используете ли вы мячи, гальку или живые организмы.
Но если вы используете квантовую частицу, такую как электроны или фотоны, вы не получите две стопки. Вместо этого вы получаете то, что кажется волнообразной интерференционной картиной: чередующиеся места, расположенные на равном расстоянии друг от друга, где частицы предпочтительно приземляются и им запрещено приземляться. Наибольший «пик» собранных частиц находится в средней точке между двумя щелями, с чередующимися пиками (которые уменьшаются в величине) и впадинами (которые всегда снижаются до нуля) по мере удаления от этого центрального пика.
Волновая картина для электронов, проходящих через двойную щель, по одному за раз. Если вы измерите, через какую щель проходит электрон, вы разрушите показанную здесь картину квантовой интерференции. Правила Стандартной модели и общей теории относительности не говорят нам, что происходит с гравитационным полем электрона, когда он проходит через двойную щель; для этого потребуется нечто, выходящее за рамки нашего нынешнего понимания, например, квантовая гравитация. Независимо от интерпретации, квантовые эксперименты, по-видимому, заботятся о том, делаем ли мы определенные наблюдения и измерения (или инициируем определенные взаимодействия) или нет.
Тогда вам может прийти в голову посылать частицы по одной, а не все сразу. Когда вы делаете это, возникают те же результаты: макроскопические объекты образуют две стопки, а квантовые частицы приземляются только на «пиках» интерференционной картины. Когда подсчитывается достаточное количество частиц, возникает полная картина.
После этого вам может прийти в голову попытаться измерить, через какую щель проходит каждая частица на пути к задней стенке. Возможно, удивительно, что теперь оба эксперимента - макроскопический и квантовый - приводят только к двум стопкам. Акт наблюдения «Через какую щель прошла каждая частица?» разрушает квантовое поведение. Каким-то образом проведение измерения, то есть индуцирование взаимодействия с достаточной энергией между квантовой частицей, над которой вы экспериментируете, и другим квантом изменяет поведение квантовой системы.
Мы видим это явление в квантовой механике по-разному. Пропустите вращающуюся квантовую частицу через вертикально ориентированный магнит, и частица отклонится либо вверх, либо вниз, обнажая свой спин. Поместите еще один вертикально ориентированный магнит ниже по течению, и частицы, отклонившиеся вверх, все равно будут отклоняться вверх, а те, что отклонились вниз, по-прежнему будут отклоняться вниз. А что, как вы думаете, произойдет, если между двумя вертикальными магнитами поместить горизонтально ориентированный?
Когда вы пропускаете набор частиц через единственный магнит Штерна-Герлаха, они будут отклоняться в соответствии со своим вращением. Если вы пропустите их через второй перпендикулярный магнит, они снова разделятся в новом направлении. Если вы затем вернетесь к первому направлению с третьим магнитом, они снова разделятся, доказывая, что ранее определенная информация была рандомизирована самым последним измерением.
Ответ двоякий:
- горизонтальный магнит делит пучок частиц на две части, причем одна группа частиц отклоняется влево, а другая - вправо,
- но теперь, независимо от того, какие наборы частиц вы выберете для прохождения через следующий вертикальный магнит, они снова разделятся на восходящие и нисходящие траектории.
Другими словами, проведение «горизонтального» измерения (или наблюдения) уничтожает «вертикальную» информацию о спиновой ориентации этих частиц.
Значит ли это, что объективной реальности не существует? Не обязательно; может существовать лежащая в основе реальность, независимо от того, измеряем мы ее или нет, и наши измерения и наблюдения - всего лишь грубый, недостаточный способ раскрыть полный, истинный характер того, чем на самом деле является наша объективная реальность. Многие люди верят, что когда-нибудь это будет доказано, но пока - а это достижение только что было удостоено Нобелевской премии по физике в 2022 году - мы можем наложить очень важные ограничения на то, какой именно тип «реальности» существует независимо от наших наблюдений и измерения. Насколько мы можем судить, реальные результаты, возникающие во Вселенной, нельзя отделить от того, кто и как их измеряет.
Запутанные пары квантовой механики можно сравнить с машиной, которая выбрасывает шарики противоположных цветов в противоположных направлениях. Когда Боб ловит мяч и видит, что он черный, он сразу понимает, что Алиса поймала белый. В теории, использующей скрытые переменные, шары всегда содержали скрытую информацию о том, какой цвет показывать. Однако квантовая механика говорит, что шары были серыми, пока кто-то не посмотрел на них, когда один случайным образом стал белым, а другой черным. Неравенства Белла показывают, что существуют эксперименты, позволяющие различать эти случаи. Такие эксперименты доказали, что описание квантовой механики верно.
Вопреки распространенному мнению, задача науки не в том, чтобы объяснять Вселенную, в которой мы живем. Вместо этого цель науки состоит в том, чтобы точно описать Вселенную, в которой мы живем, и в этом она весьма преуспела. Но вопросы, которые большинство из нас с энтузиазмом задают - а мы задаем их по умолчанию, без каких-либо подсказок, - часто связаны с выяснением того, почему происходят определенные явления. Мы любим представления о причине и следствии: что-то происходит, а потом, как следствие того, что произошло первым, из-за него происходит что-то еще. Во многих случаях это верно, но квантовая Вселенная также может нарушать причинно-следственную связь разными способами.
Один из таких вопросов, на который мы не можем ответить, заключается в том, существует ли такая вещь, как объективная, независимая от наблюдателя реальность. Многие из нас предполагают, что это так, и мы строим наши интерпретации квантовой физики таким образом, что они допускают лежащую в основе объективную реальность. Другие не делают этого предположения и строят столь же достоверные интерпретации квантовой физики, которые не обязательно имеют ее. Все, что у нас есть, чтобы направлять нас, к лучшему или к худшему, это то, что мы можем наблюдать и измерять. Мы можем успешно физически описать это как с объективной, независимой от наблюдателя реальностью, так и без нее. В данный момент каждый из нас должен решить, хотим ли мы добавить философски удовлетворительное, но физически чуждое понятие о том, что «объективная реальность» имеет смысл.