Домінуюча інтерпретація квантової хвильової функції розглядає її як реальну - як частину фізичного "тіла" Всесвіту. Деякі фізики заходять настільки далеко, що стверджують, ніби весь Всесвіт - це суцільна квантово-хвильова функція.
Що таке квантова хвильова функція?
Але подібна інтерпретація наражається на низку проблем, включно із зіткненням із теорією відносності Ейнштейна. Лауреат премії Карла Поппера Едді Кемінг Чен, прагнучи уникнути логічних конфузів, пропонує інтерпретувати хвильову функцію як основу для базового закону природи, що описує, як частки, поля і звичайні об'єкти переміщуються в просторі та часі. Таким чином, на його думку, розв'язується низка загадок, пов'язаних із квантовою механікою.
Легко любити квантову механіку - фундаментальні правила, які описують наш фізичний світ, починаючи з мікроскопічного рівня, - але важко зрозуміти, про що вона насправді.
Квантова механіка, безумовно, корисна як алгоритм для передбачення результатів експериментів. Вона дала початок багатьом технологічним інноваціям - від магнітно-резонансних томографів до напівпровідників.
Однак коли справа доходить до питання про те, що квантова механіка говорить про природу фізичної реальності, все дуже швидко ускладнюється. Чи справді квантова теорія розкриває фундаментальний рівень Всесвіту?
З перших днів квантової механіки фізики та філософи сперечаються про природу "нової реальності". Хоча існує безліч різних інтерпретацій, більшість із них сходяться в тому, що для її розкриття необхідно розібратися з хвильовою функцією - центральним математичним об'єктом у теоретичних побудовах.
Так що ж таке хвильова функція? Ми придумали красиву математичну основу, але нам дуже важко прокреслити фізичну інтерпретацію "стандартної" абстракції. Одна з домінуючих точок зору полягає в тому, що хвильова функція являє собою "реальність" на відміну від "повсякденного" сприйняття світу.
Домінуючий погляд на хвильову функцію
А якщо зайняти "компромісну" позицію? Так, хвильова функція - це частина фізичної реальності і водночас - це й основа ширшого, поки що невідомого закону природи.
На перший погляд, хвильова функція належить до квантової механіки так само, як частинки до класичної механіки, а електромагнітні поля до класичної електродинаміки. Вона має всі ознаки чогось реального, незамінного, і, ймовірно, має бути такою самою частиною конституції фізичної реальності, як і звичайні об'єкти, наприклад, столи або стільці.
Прихильники цієї точки зору - Шон Керролл, Девід Альберт і Алісса Ней. Утім, порівняно з частинками та електромагнітними полями, хвильова функція - це вельми абстрактний математичний об'єкт, що живе у високорозмірному просторі та прописується уявними числами. Далеко не ясно, як хвильова функція пов'язана з нашим звичайним світом повсякденної реальності.
Завдання інтерпретації квантової механіки стане простішим, якби ми відмовилися від ортодоксальної думки, що квантовий всесвіт має бути описаний як "чистий стан", у технічних термінах. Ми повинні переглянути реалістичні інтерпретації хвильової функції.
Замість того, щоб борсатися у фундаменті матерії, ми повинні думати про неї як про основу для простого закону природи, що визначає рух усіх фізичних об'єктів у просторі та часі.
Щоб мотивувати нову картину, дозвольте підсумувати деякі проблеми, з якими стикаються реалістичні інтерпретації хвильової функції.
По-перше, якщо ми серйозно ставимося до простору, нам, можливо, доведеться визнати реальну область, де розгортаються фізичні події, - простір надзвичайно високої розмірності, приблизно 10 у ступені 80.
Хоча ми можемо вірити, що наш всесвіт містить 20+ вимірів, які постулюються деякими версіями теорії струн, набагато неймовірніше прийняти ідею про те, що насправді реальна кількість вимірів 10 у ступені 80. Важко уявити, як з неї з'являються звичайні чотиривимірні об'єкти, люди і дерева, наприклад.
По-друге, якщо припустити, що хвильова функція - це фізичний об'єкт, що живе в чотиривимірному просторі-часі, ми скочуємося до дивовижного виду холізму. Припустимо, у нас є група частинок у просторі-часі. Хвильова функція наділить групу властивостями, які не можуть бути отримані з властивостей окремих частинок. Ціле, так би мовити, більше, ніж його частини. Квантова заплутаність, що ви хочете.
Нарешті, реалістична інтерпретація хвильової функції, схоже, суперечить теорії відносності Ейнштейна - стовпу сучасної фізики.
Якщо не існує об'єктивного й унікального способу розрізати простір на простір і час, то визнання квантової заплутаності як фундаментальної особливості фізичного світу ускладнює опис повної історії Всесвіту.
Як стверджує Девід Альберт, історія квантового всесвіту за одного способу нарізання не може бути співвіднесена з історією за іншого нарізання, за рахунок зміни системи відліку. Потрібні інші закони природи.
Отже, у нас уже є мотиви для пошуку альтернативи реалістичним інтерпретаціям хвильової функції як фізичного об'єкта. Згідно з більш ранньою пропозицією (Детлеф Дюрр, Шелдон Гольдштейн, Штефан Тейфель, Ніно Зангі), хвильова функція Всесвіту - це не фізичний об'єкт, а фізичний закон, подібний до другого закону руху Ньютона.
Хвильова функція визначає рух фізичних об'єктів - як на квантовому рівні, так і на повсякденному - частинок, полів, столів і стільців. Також не виключено, що є більш легкий і простий спосіб реалізувати цю ідею.
Квантова хвильова функція як основа для закону природи
Гіпотетична хвильова функція Всесвіту досить складна. Оскільки вона несе так багато інформації, її важко специфікувати. Через свою складність вона не схожа на закон природи, який, як ми очікуємо, буде відносно простим, на кшталт виразу для закону всесвітнього тяжіння і другого закону Ньютона.
Зробимо крок назад і розглянемо проблему в іншому масштабі. Уявімо хвильову функцію у вигляді окремого пікселя на екрані, виділеного червоним кольором. Якщо в нас є потужний мікроскоп, ми бачимо кожну точку на екрані, включно з червоною. Для визначення її місця розташування потрібно багато інформації.
Тепер, якщо ми відрегулюємо збільшення і трохи зменшимо масштаб, ми перестанемо бачити окремі пікселі. На потрібному рівні збільшення перед нами розкривається візерунок, який простіше описати. Припущення в тому, що такого візерунка достатньо як закону, що описує рух звичайних фізичних об'єктів. До того ж ми отримуємо матрицю щільності.
Якщо ми занадто сильно збільшимо масштаб, є небезпека відкинути занадто багато інформації і, отже, упустити закономірність.
То який же рівень збільшення слід використовувати? Відповідь на це запитання пов'язана з іншою дивовижною особливістю нашого світу - стрілою часу. Навіть якщо динамічні закони не роблять різниці між минулим і майбутнім, наш звичайний досвід сповнений процесів, які говорять про зворотне.
Згадайте танення льоду, поширення диму та гниття фруктів. Всесвіт виглядає більш упорядкованим у минулому і менш упорядкованим у майбутньому. Це спостереження узагальнене у Другому законі термодинаміки, згідно з яким ізольовані системи мають тенденцію до збільшення ентропії - міри безладу.
Як можлива стріла часу? Стандартна відповідь полягає в додаванні фундаментальної Гіпотези минулого, згідно з якою Всесвіт розпочався в особливому стані дуже низької ентропії, під час Великого вибуху або близько нього.
Такий стан може бути охарактеризований за допомогою макроскопічних змінних. Гіпотеза минулого встановлює ідеальний баланс і відбирає саме ту кількість інформації, яка нам необхідна для визначення простого і водночас емпірично адекватного закону.
Отримана з неї картина описується напрочуд простим об'єктом. Він несе набагато менше інформації, ніж гіпотетична хвильова функція. Він досить простий, щоб бути кандидатом у закони природи, і досить інформативний, щоб визначати рух звичайних об'єктів.
У результаті нам не потрібно уречествлювати хвильову функцію ні як фізичний об'єкт, ні як фізичний закон.
Звідси виникають два наслідки.
- По-перше, концептуальні питання про стрілу часу тісно пов'язані з інтерпретаціями квантової механіки.
- По-друге, з'являється альтернатива реалістичним інтерпретаціям хвильової функції.
- У літературі з філософії науки Девід Альберт і Баррі Лоуер назвали свою теорію "Ментакулус", замінивши літеру "M" на "В", таким чином позначивши теоретичну альтернативу.
Картину світу, яка пропонує "Вентакулус", легше прийняти, ніж реалістичні інтерпретації хвильової функції. Квантовий всесвіт містить у собі звичайні об'єкти, що складаються з частинок, полів і/або інших локалізованих сутностей.
Вона більше не займає центрального місця в цій теорії як фізичний об'єкт або фізичний закон. Замість неї ми постулюємо набагато грубіший і простіший об'єкт, який природним чином випливає з міркувань про Гіпотезу минулого. Він являє собою закон природи, що визначає рух звичайних об'єктів.
Переваги погляду "Вентакулус" на квантову механіку
Вентакулус зменшує види випадковості у світі. Згідно з ортодоксальним поглядом, результати квантових експериментів випадкові, і випадковість передбачається хвильовою функцією.
Однак саму хвильову функцію також вибирають випадковим чином із безлічі різних гіпотетичних хвильових функцій, і така випадковість є додатковим постулатом теорії. У нашому випадку другий постулат випадковості усувається; існує тільки один фізично можливий квантовий стан, і він зовсім не випадковий.
Ба більше, "Вентакулус" об'єднує Всесвіт з його підсистемами. Згідно з ортодоксальною точкою зору, Всесвіт описується хвильовою функцією, але більшість підсистем не можуть бути описані хвильовими функціями через квантову заплутаність. З пропонованої точки зору, весь Всесвіт - включно з усіма його частинами, описується одними й тими ж математичними рівняннями.
Ба більше, "вентакулівська" версія багатосвітової квантової механіки Еверетта є першим реалістичним і простим прикладом сильного детермінізму, ідеї (введеної Роджером Пенроузом) про те, що закони природи припускають тільки одну можливу модель фізичної реальності.
В ортодоксальній версії теорії Еверетта хвильова функція породжує безліч різних і паралельних гілок, кожна з яких має свою історію. Усі вони реальні і включені в гігантський мультивсесвіт, набагато більшу версію того, що ми зазвичай вважаємо фізичною реальністю.
Однак, згідно з теорією Еверетта, можуть існувати різні хвильові функції і, отже, різні мультивсесвіти. Реальний мультивсесвіт може бути будь-яким із них.
Іншими словами, фізична реальність не обмежена законами природи, оскільки вони допускають різні моделі мультивсесвіту.
У версії "Вентакулуса", навпаки, закони природи повністю визначають мультивсесвіт, тому існує тільки один спосіб буття фізичної реальності. Інакше кажучи, реальний мультивсесвіт неможливий під страхом порушення фізичних законів.
Квантову механіку важко інтерпретувати. Ми можемо досягти прогресу, якщо перестанемо бути реалістами щодо квантової хвильової функції і зменшимо масштаб.
Більш детально Zooming Out From the Wave Function
