Засновники квантової фізики, Ейнштейн і Шредінгер, скептично ставилися до її прямих наслідків, що характеризують невизначеність і природу реальності.
Ортодоксальний погляд на мікросвіт полягає в тому, що невизначеність справді є невіддільною рисою квантових систем, вона не відображає недоліки нашого знання.
Однак оксфордський фізик Тім Палмер стверджує: теорія хаосу показує, що насправді квантова невизначеність зумовлена саме нашим власним незнанням, а не фізичною реальністю як такою.
А тому всі сучасні спроби об'єднати квантову механіку із загальною відносністю виявляються марними.
Усі знають, що довгострокові прогнози погоди невизначені. Через надокучливих метеликів. Непомічені, вони махають крилами, викликаючи непередбачувані шторми через кілька тижнів.
Звісно, це метафора, яку використовують для опису непередбачуваності хаотичних систем: крихітні невизначеності в початкових умовах зростають і зростають, поки повністю не знищать точність будь-якого прогнозу.
Але чи метелики не впевнені в стані своїх крил? Чи ми, люди, не впевнені в них? Філософи скажуть: епістемологічна невизначеність, тобто невизначеність пов'язана з відсутністю знань.
Згідно з ортодоксальним поглядом на квантову теорію, невизначеність не завжди належить до епістемологічного типу.
Квантову механіку зазвичай описують як теорію атомів і субатомних частинок, хоча насправді вважають, що це концепт, який лежить в основі всього на світі, включно з погодою і галактиками - всієї реальності.
У цій логіці існує внутрішня невизначеність щодо того, що відбувається з квантовою системою, коли ми намагаємося її спостерігати. У момент спостереження квантовий стан системи випадковим чином руйнується - від суперпозиції можливих станів до деякого певного результату.
У підсумку, випадковість включена в основні рівняння квантової фізики. Це, своєю чергою, має на увазі, що квантова невизначеність не є суто епістемологічною; вона "онтологічна", бо реальність від початку не визначена.
Виходить, що ортодоксальний погляд спирається на припущення, яке рідко піддається сумніву. Теорія хаосу дає сильну мотивацію для того, щоб поставити під сумнів класичне припущення.
Відмова від нього означає, що невизначеність квантової механіки може бути того самого епістемологічного типу, що й невизначеність теорії хаосу.
Квантова невизначеність і теорема Белла
Два засновники квантової механіки вважали ідею невизначеності реальності сміховинною, і в результаті відмовилися вірити, що наука є глашатаєм істини. Принаймні, в цьому питанні.
Ервін Шредінгер вигадав знаменитий експеримент із кішкою, щоб показати: така інтерпретація квантової механіки призводить до безглуздих результатів - кішка, яка наполовину жива, а наполовину мертва. У розпачі Альберт Ейнштейн зауважив, що Бог, звісно, не грає в кості.
І все ж більшість фізиків вважають, що квантова механіка - це останнє слово у квантовій фізиці, і що через це існує елемент онтологічної невизначеності, притаманний навколишньому світу.
Квантова невизначеність, стверджують ці фізики, не має нічого спільного з ефектом метелика: невизначеність сама по собі більш радикальна.
То чому ж сучасний консенсус відкидає побоювання Ейнштейна і Шредінгера?
Найважливіша причина пов'язана з квантовим явищем, яке Шредінгер назвав заплутаністю. Зокрема, дві частинки можуть бути випущені з джерела таким чином, що їхні властивості - наприклад, кутові моменти (також відомі як спіни) - корелюють.
Однак північноірландський фізик Джон Белл показав, що подібні кореляції, якщо їх правильно об'єднати, обмежені тим, що зараз називається теоремою Белла.
Нобелівська премія з фізики 2022 року була присуджена Алену Аспекту, Джону Клаузеру та Антону Цайлінгеру саме тому, що на практиці об'єднані кореляції можуть перевищувати цю межу. Отже, одне або кілька розумних припущень мають бути хибними.
Стандартна інтерпретація полягає в тому, що квантова невизначеність є онтологічною, а не епістемологічною. Тобто невизначеність - це властивість самої реальності, а не відображення меж нашого знання.
У результаті фізики пустилися шукати інші способи пояснити теорему Белла.
Альтернативна інтерпретація
Альтернативна інтерпретація дійсно існує, але вона занадто дивна, щоб бути правдоподібною. Вона передбачає, що налаштування приладу, який вимірює спін однієї із заплутаних частинок, якимось чином впливають на результат вимірювання для іншої частинки.
Це дивне пояснення, тому що воно передбачає реальність "spooky action at a distance" - ідею взаємозалежності двох віддалених частинок.
Ейнштейну не подобалася "моторошна дія на відстані", як і більшості фізиків. Тому стандартні дискусії про нерівність Белла закінчуються однозначним висновком: у своїй основі квантова невизначеність зумовлена не нашою невизначеністю щодо квантового світу, а тим, як влаштована квантова реальність.
Однак виявляється, що в теоремі Белла є ще одне припущення. Вчені інтуїтивно не схильні задаватися питанням, чи правий ірландець чи ні. Однак наскільки обґрунтованим є спосіб мислення і дискурс фізичної науки? Наскільки точні панівні контрфактичні міркування, що панують?
Контрфактичні світи, квантова фізика і теорія хаосу
Припустімо, ви кидаєте камінь, і він потрапляє у вікно і розбиває його. Ви розбили вікно? Можливо, хтось, перебуваючи поза полем вашого зору, кинув другий камінь кількома миттєвостями раніше, і саме цей другий камінь розбив вікно. Ви б не сумнівалися, що вікно розбилося з вашої вини, якби могли стверджувати, що в контрфактичному світі, де ви не кидали камінь, вікно не розбилося.
У цьому контрфактичному світі місяця Юпітера оберталися б по орбітах так само, як і в реальному світі. Різниця лише в тому, що камінь не кинуто. Хоча в реальності цього не сталося, але такий контрфактичний світ, тим не менш, узгоджується із законами фізики, представленими законами руху Ньютона.
Апеляція до контрфактичних можливостей настільки глибоко вкоренилася в науковій інтуїції, що дослідники постійно покладаються на неї при визначенні причинності в реальному світі.
Виявляється, теорема Белла залежить від припущення, що деякі альтернативні спінові вимірювання - ті, які могли б, за ідеєю, бути виконані на заплутаних частинках, але не були виконані - дозволені законами квантової фізики.
Іншими словами, теорема Белла передбачає, що контрфактичні квантові вимірювання обов'язково узгоджуються із законами фізики.
Припущення, яке фізики не люблять вважати помилковим. Якщо контрфактичні світи виявляться несумісними із законами фізики, то наші інтуїтивні уявлення про причинність також виявляться невірними.
Теорія хаосу дає простий спосіб усвідомити ситуацію, коли такі світи дійсно не узгоджуються із законами фізики.
І тут знову виникає ефект метелика. Метеоролог Ед Лоренц ще на початку 1960-х років виявив дивовижну річ: якщо запустити просту хаотичну систему з будь-якого початкового стану і дозволити їй розвиватися, то зрештою можна побачити, як цей стан вибудовується в чудову фрактальну геометрію.
Фрактальна геометрія - це геометрія, яка має "залізобетонну" структуру, незалежну від самої геометрії. Зокрема, в ній є проміжки, які ніколи не зникають при збільшенні масштабу. Що сильно відрізняється від класичної евклідової практики - від побудови поверхні сфери, яка має вигляд плоскої та нудної, якщо її досить сильно збільшити.
Ці властивості фракталів використовують, щоб пояснити, чому цілий клас контрфактичних світів несумісний із законами фізики.
У такому разі ми повинні мислити масштабно, дуже масштабно. Ми повинні припустити, що весь Всесвіт і буквально все, що в ньому є, є хаотичною системою, що розвивається відповідно до вимог космічної фрактальної геометрії.
У цій картині немає жодної гарантії, що гіпотетичні контрфактичні світи, які ви просто вигадали у своїй голові, лежатимуть на площині фрактальної геометрії. Якщо це не так, то вони несумісні з передбачуваними геометричними законами фізики.
Інакше кажучи, контрфактичні світи, що виникають під час спроби довести теорему Белла, не підлягають фрактальній геометрії Всесвіту.
Це означає, що квантова невизначеність справді може бути епістемологічною і, отже, реальність є визначеною і конкретною, як ми зазвичай вважаємо.
Що означає неіснування вродженої невизначеності для фізики і філософії.
Чи має це якесь значення для реальної фізики? Можливо. Святий грааль теоретичної фізики - об'єднання квантової та гравітаційної фізики.
Учені намагалися синтезувати ці дві галузі науки протягом останніх 70 років або більше, але поки що безуспішно.
Дехто вважає, що загальна теорія відносності Ейнштейна потребує радикального перегляду, перш ніж таке об'єднання стане можливим.
Однак усе виглядає навпаки. Модель квантової фізики, заснована на хаосі, де невизначеність є епістемологічною, має значно більше шансів об'єднатися з ЗТВ, ніж та, де вона є онтологічною.
Якщо фрактальна геометрична модель правильна, то це сигнал кінця так званого "методологічного редукціонізму" у фізиці: для глибшого розуміння навколишнього світу нам треба досліджувати дедалі дрібніші масштаби.
Саме така філософія - успішна на сьогодні - лежить в основі розвитку колайдерів частинок.
Але є маленький шанс того, що цей підхід вичерпав себе. Для глибшого розуміння світу нам потрібно досліджувати не найменші, а найбільші структури Всесвіту в цілому.
Ключовим словом майбутнього може стати холізм. Якщо закони фізики описують фрактальну геометрію простору станів, то ці закони дійсно будуть глибоко цілісними.
Джерело: iai.tv