100 років квантової фізики: вона працює, але вчені досі не знають, що це

Провідні фізики світу зібралися на німецькому острові Гельголанд і розійшлися в поглядах щодо визначення терміна квантової фізики.

На честь століття квантової теорії журнал Nature провів найбільше в історії опитування серед квантових фізиків. Опитали понад 15 тис. дослідників і отримали більш як 11 тис. відповідей.

Результати показали, що вчені впевнені у власних знаннях, однак розходяться в поглядах щодо інтерпретації. Ситуація парадоксальна, адже квантова теорія чудово працює на практиці та є основою для роботи таких пристроїв, як МРТ, лазери й комп’ютери. Але навіть через 100 років фізики досі не можуть дійти згоди щодо визначення квантової фізики.

«Квантового світу не існує. Квантові стани існують лише в наших головах», - переконує фізик, лауреат Нобелівської премії з Віденського університету Антон Цайлінгер.

З ним не погоджується інший нобелівський лауреат Ален Аспект. Доволі незвично, коли люди з однієї галузі розходяться в думках щодо фундаментальної інтерпретації, яка лежить в основі їхньої роботи.

Квантова механіка як розділ фізики описує поведінку атомів, електронів, фотонів та інших субатомних частинок. Це світ, яким керують імовірності, невизначеність і явища, що кидають виклик звичній інтуїції. У 1900 році німецький фізик Макс Планк припустив, що енергія надходить певними порціями - квантами. У 1905 році Альберт Ейнштейн розвинув цю теорію та припустив, що світло складається з фотонів. Протягом наступних 20 років експерименти продовжували розвивати цю ідею. До 1925 року Вернер Гейзенберг розробив версію квантової теорії, засновану на спостережуваних величинах, а роком пізніше Ервін Шредінгер запропонував хвильову механіку - детальний математичний опис еволюції квантових систем у часі.

В основі розбіжності поглядів сучасних фізиків на визначення квантової теорії лежить фундаментальне питання: що відбувається, коли ви спостерігаєте за квантовою системою? Як класичний приклад зазвичай наводять вигаданого Ервіном Шредінгером кота невизначеності. Всередині закритої коробки квантова подія з імовірністю 50/50 визначає, чи розіб’ється пляшечка з отрутою і чи помре кіт. Ви не знаєте, що сталося, і кіт одночасно живий і мертвий, доки хтось не відкриє коробку й не побачить результат.

Згідно з квантовою механікою, поки ящик не відкритий і система не спостерігається, кіт перебуває в суперпозиції життя і смерті. Лише при уважному розгляді стає очевидним один певний результат.

Однак що відбувається насправді, коли коробку відкривають і вивчають результат? Щодо цього висунули аж п’ять конкуруючих між собою гіпотез. Згідно з копенгагенською інтерпретацією, запропонованою фізиками Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом у 1927 році, відкриття коробки створює реальність. Частинка має властивості лише при вимірюванні спостерігачем; вони не є її внутрішніми властивостями. Цей підхід, власне, стверджує, що квантова механіка не визначає фізичну реальність, яка існує незалежно від вимірювання.

Натомість вона описує те, про що ми можемо дізнатися шляхом вимірювання. Однак критики стверджують, що таке визначення оминає важливі питання, зокрема, що таке вимірювання і коли саме визначається результат?

Багатосвітова інтерпретація стверджує, що всі можливі результати справді реалізуються, але кожен в окремому розгалуженому всесвіті. Таким чином, у мисленому експерименті Шредінгера кіт одночасно живий і мертвий, але перебуває у двох різних світах, які не контактують один з одним.

Теорія де Бройля-Бома вводить поняття «пілотної хвилі», яка робить усі квантові явища детермінованими, а не випадковими. Однак вона стикається з проблемою миттєвих ефектів, що перевищують швидкість світла, а це несумісно з теорією відносності Ейнштейна.

Гіпотеза спонтанного колапсу припускає, що квантова механіка - лише наближення до іншої теорії. Ця гіпотеза добре обґрунтована математично, однак не має експериментальних підтверджень.

Нарешті, епістемічні інтерпретації припускають, що квантові стани є лише інформацією, доступною зовнішньому агенту. Це також створює неприємну проблему: реальність може існувати лише суб’єктивно, а об’єктивної реальності немає.

Найпопулярнішою серед опитаних фізиків виявилася копенгагенська інтерпретація, яку підтримують 36% опитаних квантових фізиків. Однак лише невелика частина з них була впевнена в її правильності; більшість же вважала її просто адекватною або корисною. Далі йшли епістемічні підходи (17%) і багатосвітова теорія (15%).

Близько 10% респондентів обрали варіант «інше» й надали відповіді у вільній формі, тоді як невелика кількість заявили, що жодне з тлумачень не здалося їм адекватним або що тлумачення взагалі не є чимось необхідним. Загалом лише 24% усіх респондентів були впевнені в правильності обраного ними тлумачення.