Даже физики не понимают квантовую механику

vida_louca — 24.04.2023 "Хуже того, они, похоже, и не хотят этого понимать" - продолжает заголовок Шон Кэролл, автор полемической статьи в журнале Нью Йорк Таймс от 7 сентября 2019 г. Чей отредактированный Гугл-перевод я предоставляю уважаемым читателям.

Мне было интересно, надеюсь, вам будет тоже.

«Я думаю, что могу с уверенностью сказать, что никто на самом деле не понимает квантовую механику», — заметил физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. В этом нет ничего удивительного. Наука делает успехи, сталкиваясь с нашим непониманием, и поэтому квантовая механика имеет репутацию особенно загадочной.

Удивительно то, что физики думают, что у них всё в порядке, не понимая при этом самой важной теории, которая у них есть.

Квантовая механика, постепенно собранная группой блестящих умов в течение первых десятилетий 20-го века, является невероятно успешной теорией. Она нужна нам, чтобы объяснить, как распадаются атомы, почему светят звезды, как работают транзисторы и лазеры и, если уж на то пошло, почему столы и стулья твердые, а не сразу рушатся на пол.

Ученые могут использовать квантовую механику с полной уверенностью. Но это черный ящик. Мы можем рассмотреть физическую ситуацию и предсказать то, что произойдет дальше, с удивительной точностью. Чего мы не делаем, так это говорить, что понимаем квантовую механику. Физики понимают свою собственную теорию не лучше, чем типичный пользователь смартфона разбирается в том, что происходит внутри этого устройства.

Есть две проблемы. Одна из них заключается в том, что квантовая механика, как она изложена в учебниках, по-видимому, нуждается в отдельных правилах описания того, как квантовые объекты ведут себя, когда мы на них не смотрим, и того, как они ведут себя, когда за ними наблюдают. Когда мы не смотрим, они существуют в «суперпозициях» различных возможностей, таких как способность находится в любом из доступных мест в пространстве. Но когда мы смотрим, они внезапно попадают только в одно место, и именно там мы их видим. Мы не можем точно предсказать, каким будет это место; лучшее, что мы можем сделать, это рассчитать вероятность различных исходов.

Все это нелепо. Почему наблюдения такие особенные? И что считать «наблюдением»? Когда именно это происходит? Нужно ли его выполнять человеку? Участвует ли сознание каким-то образом в основных правилах постижения реальности? Вместе эти вопросы известны как «проблема измерения» в квантовой теории.

Другая проблема заключается в том, что мы не согласны с тем, что на самом деле описывает квантовая теория, даже когда мы не проводим измерения. Мы описываем квантовый объект, такой как электрон, в терминах «волновой функции», которая объединяет суперпозицию всех возможных результатов измерений в один математический объект. Когда наблюдений нет, волновые функции ведут себя в соответствии со знаменитым уравнением, записанным Эрвином Шредингером.

Но что такое волновая функция? Является ли это полным и всеобъемлющим представлением мира? Или нам нужны дополнительные физические величины, чтобы полностью охватить реальность, как подозревали Альберт Эйнштейн и другие? Или волновая функция вообще не имеет прямой связи с реальностью, а просто характеризует наше личное невежество в отношении того, что мы в конечном итоге будем измерять в наших экспериментах?

До тех пор, пока физики окончательно не ответят на эти вопросы, нельзя сказать, что они понимают квантовую механику — отсюда и сетование Фейнмана. И это плохо, потому что квантовая механика — это самая фундаментальная теория, которая у нас есть, и она находится прямо в центре любой серьезной попытки сформулировать глубинные законы природы. Если никто не понимает квантовую механику, никто не понимает Вселенную.

Тогда вы, естественно, думаете, что понимание квантовой механики будет абсолютным наивысшим приоритетом среди физиков во всем мире. Что исследование основ квантовой теории должно стать гламурной специальностью в этой области, привлекая самые яркие умы, самые высокие зарплаты и самые престижные награды. Что физики, как вы можете себе представить, не остановятся ни перед чем, пока по-настоящему не поймут квантовую механику.

Реальность совершенно противоположная. Немногие современные физические факультеты имеют исследователей, работающих над пониманием основ квантовой теории. Напротив, студентов, которые проявляют интерес к этой теме, мягко, но твердо — может быть, и не так мягко — ограничивают, иногда с предостережением: «Заткнись и вычисляй!» Профессора, которые вдруг этим заинтересуются, могут увидеть, что их грантовые деньги иссякают, поскольку их коллеги беспокоятся о том, что они потеряли интерес к серьезной работе.

Так было с 1930-х годов, когда физики коллективно решили, что важно не понимать саму квантовую механику; важно было использовать набор специальных квантовых правил для построения моделей частиц и материалов. Прежнее занятие стало восприниматься как смутно философское и сомнительное. Вспоминается лиса Эзопа, которая решила, что виноград, до которого она не могла дотянуться, вероятно, является кислым, и поэтому она его не хочет. Физики, воспитанные в современной системе, посмотрят вам в глаза и со всей искренностью объяснят, что они совсем не заинтересованы в понимании того, как на самом деле устроена природа; они просто хотят успешно предсказывать результаты экспериментов.

Это отношение можно проследить до появления современной квантовой теории. В 1920-х годах произошла серия знаменитых дебатов между Эйнштейном и Нильсом Бором, одним из основателей квантовой теории. Эйнштейн утверждал, что современные версии квантовой теории не поднялись до уровня полной физической теории, и что мы должны попытаться копнуть глубже. Но Бор считал иначе, настаивая на том, что все в порядке. Гораздо более академически дружелюбный и риторически убедительный, чем Эйнштейн, Бор одержал решающую победу, по крайней мере, в битве за связи с общественностью.

Не все были довольны тем, что точка зрения Бора возобладала, но эти люди, как правило, оказывались отвергнутыми или чувствовали себя изгоями в этой области. В 1950-х годах физик Дэвид Бом, подстрекаемый Эйнштейном, предложил гениальный способ дополнить традиционную квантовую теорию для решения проблемы измерения. Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой механики, назвал его теорию «избыточной идеологической надстройкой», а бывший наставник Бома Роберт Оппенгеймер хмыкнул: «Если мы не можем опровергнуть Бома, то мы должны согласиться игнорировать его».

Примерно в то же время аспирант по имени Хью Эверетт изобрел теорию «многих миров», еще одну попытку решить проблему измерения, но она была высмеяна защитниками Бора. Эверетт даже не пытался остаться в академических кругах, обратившись к оборонным разработкам после окончания учебы.

Более позднее решение проблемы измерения, предложенное физиками Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Тулио Вебером, неизвестно большинству физиков.

Эти идеи не являются просто пустыми «интерпретациями» квантовой механики. Это на самом деле отличные физические теории с потенциально новыми экспериментальными последствиями. Но большинство ученых пренебрегли ими. В течение многих лет один из ведущих журналов по физике проводил четкую политику, согласно которой статьи по основам квантовой механики должны были быть немедленно отвергнуты.

Конечно, существует бесконечное количество вопросов, которые могут волновать ученых, и нужно как-то расставлять приоритеты. В течение 20-го века физики решили, что важнее заставить квантовую механику работать, чем понять, как она работает. И, честно говоря, часть их опасений заключалась в том, что на самом деле было трудно увидеть путь вперед. Какие ещё эксперименты следовало бы провести, чтобы пролить свет на проблему измерения?

Ситуация может меняться, хотя и не так быстро. Нынешнее поколение философов-физиков очень серьезно относится к квантовой механике, и они проделали чрезвычайно важную работу по внесению концептуальной ясности в эту область. Эмпирически мыслящие физики поняли, что феномен измерения может быть непосредственно исследован достаточно тонкими экспериментами. А развитие технологий вывело вопросы о квантовых компьютерах и квантовой информации на передний план в этой области. Вместе эти тенденции могут заставить еще раз задуматься об основах квантовой теории, как это было во времена Эйнштейна и Бора.

Между тем, оказывается, что то, как работает реальность, может иметь значение. Наши лучшие попытки понять фундаментальную физику зашли в тупик из-за недостатка новых и неожиданных экспериментальных результатов. Ученые обнаружили бозон Хиггса в 2012 году, но это было предсказано в 1964 году. Гравитационные волны триумфально наблюдались в 2015 году, но они были предсказаны за сто лет до этого. Трудно добиться прогресса, когда данные просто подтверждают теории, которые у нас уже есть, а не указывают на новые.

Проблема в том, что, несмотря на успех наших нынешних теорий быть в соответствии имеющимся данным, они не могут быть окончательным решением, потому что они внутренне противоречивы. Гравитация, в частности, не вписывается в рамки квантовой механики, как это делают другие наши теории. Можно — может быть, даже вполне разумно — представить, что этому препятствует наша неспособность понять саму квантовую механику.

После почти столетия притворства, что понимание квантовой механики не является важной задачей для физиков, мы должны серьезно отнестись к этой проблеме.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив