Теоретичне припущення, що лежить в основі квантової фізики, має схожість з релігійною догмою. Це не стільки про недостатність теоретичних знань, скільки про нездатність відповісти на просте питання: що таке реальність?
Цей великий пробіл у теорії, особливо в сучасній копенгагенській інтерпретації, заважає їй працювати. Однак, не можна заперечувати, що квантова фізика є надзвичайно успішною. Вона визначила інженерні тренди сучасності, від кремнієвих мікросхем у наших телефонах до світлодіодів на екранах, від ядерних двигунів у далеких космічних зондах до лазерів у сканерах супермаркетів.
Квантова фізика пояснює, чому сонце світить, і як працюють наші очі. Але велика прогалина в теоретичній моделі все ще існує: незважаючи на успіхи в математичному моделюванні, ми все ще не розуміємо, як світ відтворює самого себе, як формується наше оточення.
Математика робить дивовижно точні прогнози щодо результатів експериментів і природних явищ. Але ми все ще знаходимося в релігійному метадискурсі, намагаючись виявити якусь “остаточну правду” або створити “теорію всього”.
Існують суттєві розбіжності щодо того, як теорія інтерпретує реальність, або навіть щодо того, що можна вважати “реальним”, тобто первинним. Схоластичний принцип причинності було зруйновано.
Навіть найпростіші речі стають складними для розшифровки за допомогою інструментів квантової фізики. Наприклад, якщо ви хочете описати положення одного маленького об’єкта - місце розташування одного електрона, найпростішої субатомної частинки, про яку ми знаємо.
Якщо ви використовуєте тривимірну евклідову геометрію, ви очікуєте отримати три числа, що описують місце розташування електрона. Це, безумовно, вірно в повсякденному житті: якщо ви хочете знати, де я, вам потрібно знати мою широту, довготу і висоту над рівнем моря. Але в квантовій фізиці виявляється, що трьох чисел недостатньо.
Вам потрібно розглянути нескінченність можливостей, а не чисел, які розташовані в усьому просторі, для опису положення одного електрона. Важливо зазначити, що сама ідея про статичний електрон є теоретично неприйнятною, оскільки електрон постійно перебуває в русі.
Це призводить до методологічної проблеми фізичної адекватності понятійного апарату. Наприклад, припущення про спочиваючий електрон вимагає введення “хвильової функції” - нескінченного набору чисел, які розташовані в просторі і поступово змінюються з часом.
Іншими словами, ми маємо математичне припущення, яке описує, як хвиля рухається в просторі (рівняння Шредінгера). Хвильові функції в основному підкоряються рівнянню Шредінгера, так само як падаючий камінь підкоряється законам руху Ньютона. Але на мікрорівні ми стикаємося з ефектами, які посилюються і вимагають умовного опису або інтерпретації.
Ми описуємо рух електрона як рух хвилі, а не частинки, але потрібно ще з’єднати ці два процеси, що вимагає додаткового математичного апарату. Незважаючи на простоту рівняння Шредінгера, хвильові функції досить дивні. Навіщо вам потрібна така інформація - нескінченність чисел, розкиданих простором, який ви уявляєте - для опису одиничного об’єкта?
З одного боку, це означає, що електрон “розмазаний” у рамках аналізованого “шматочка” простору. З іншого боку, таке припущення докорінно неправильне. Коли ви дійсно шукаєте електрон, він з’являється тільки в одному місці. І коли ви його знаходите, виникає хвильова функція, яка миттєво задовольняє вимогам рівняння Шредінгера, а ще за мить хвиля перестає підкорятися цьому рівнянню.
Електрон “руйнується” з усією нескінченністю ймовірностей (які ми розуміємо як постійні числа, що описують одиничну ймовірність), причому всі ці ймовірності-числа прагнуть до нуля, за винятком того місця, де нібито “знайшли” частку, що водночас і хвиля, і математична функція.
Ще простіше: якщо істина й існує, то тільки там, де ми хочемо її бачити, або в тому місці, яке математично моделюється під усереднене розуміння вихідної реальності.
Але знову: що таке реальність?
У світі чисел “матеріальне” втрачає свою значимість. Що таке хвильові функції, як вони працюють і чому вони іноді слідують рівнянню Шредінгера, але частіше - ні? Чому частинки слідують опису лише тоді, коли ніхто не спостерігає?
Ці питання залишаються без відповіді і створюють “прогалини” в основах квантової фізики. Як можна фізично виміряти те, що було математично моделювано?
Аристотелівська логіка і принцип причинності стверджують, що спочатку є курка, а потім яйце (або навпаки), але яйце не може бути одночасно куркою. Але що, якщо в одній точці і в одній момент часу є яйце, в іншій - курка, а в третій - інша реальність, яку ми намагаємось зрозуміти у звичних фізичних термінах і математичних координатах “стандартної” трихієрархічної геометрії?
Можливо, проблема полягає в тому, що ми повинні відмовитися від фундаментальних понять простору, часу, матерії і перейти на іншу геометрію фізики? Наприклад, Ейнштейн зробив революцію не тоді, коли адаптував математичні вправи Максвелла до іншої, “позаземної” реальності, а після відмови від геометрії Евкліда-Ньютона. Можливо, нам вже потрібно “забути” Ейнштейна і простір Мінковського, перейшовши до метрики Бервальда-Моора?
Відмінність квантової фізики полягає в тому, що вона здається зупиняється на проблемі вимірювання. Неясно, що “погляд” або “вимір” означає в контексті квантової теорії. Ми не можемо визначити конкретний момент часу або точку простору, де застосовується рівняння Шредінгера. Також невідомо, чи можемо ми говорити про конкретну точку без урахування часу, і чи взагалі має сенс говорити про “точки” в контексті N-ймовірного простору руху частинок.
Якщо ми не знаємо цього, то як ми можемо обговорювати фізичну адекватність (абсурдність в даному випадку) теорії?
Практична відповідь полягає в тому, що фізики, які працюють з квантовою теорією, схильні вважати, що вони працюють з ультра-малими “шматочками” матерії. Відсюди випливає припущення, що рівняння Шредінгера не може бути застосоване до великих об’єктів, таких як столи, стільці, люди, речі з нашого повсякденного життя.
Замість цього ми припускаємо, що ці об’єкти підкоряються вимогам класичної фізики (геометрії?) Ньютона і що рівняння Шредінгера перестає застосовуватися, коли один з цих об’єктів взаємодіє з об’єктом з квантового світу малого. Тільки тоді рівняння добре “працює”. Але майже ніхто з фізиків не вірить, що світ влаштований таким чином. Ключове слово тут - ВІРИТЬ.
Однак експерименти останніх десятиліть показали, що квантова фізика може бути застосована до більших і великих об’єктів. Більше того, квантова механіка поступово стає математичним базисом космологічного опису Всесвіту.
Але якщо квантова теорія дійсно застосовна для опису об’єктів будь-яких масштабів, то яка прийнятна відповідь на проблему вимірювання? Що відбувається у квантовому світі?
Стандартна відповідь полягала в тому, що немає проблеми вимірювання, оскільки безглуздо питати, що відбувається, коли ніхто не “дивиться”. Відповідно, це щось неспостережуване, а отже, не існує неспостережуваних речей. Подібний фізичний соліпсизм відомий як “копенгагенська інтерпретація” квантової фізики, введена Нільсом Бором.
Але чи є копенгагенська інтерпретація “адекватною” навіть з точки зору квантової фізики? Вона нічого не говорить про те, що відбувається в мікросвіті.
У своєму впертому мовчанні про природу реальності вона не надає жодного пояснення, чому правильними (?) є математичні структури, що лежать в основі теорії.
Немає жодних переконливих логічних або філософських підстав для оголошення безглуздих, на перший погляд, речей. І слово “неспостережуване” не так добре визначено, як слово “вимір”.
Таким чином, оголошення неспостережуваних речей безглуздими - це не тільки безглузда позиція, а й невизначена з математичної точки зору. Подібна невизначеність зводить “копенгагенську інтерпретацію” до догматики про єдність суперечливих уявлень про квантову фізику.
Незважаючи на безліч проблем, копенгагенська інтерпретація домінувала у фізичному співтоваристві протягом більшої частини 20-го століття, оскільки давала змогу виконувати точні обчислення, не переймаючись тернистими питаннями, що лежать в основі теорії.
Але за останні 30 років копенгагенська версія квантової фізики все більше викликає питань. Академічність нинішньої фізики вже сумнівна навіть в академічних колах.
Найвідомішою з наявних альтернатив є N-просторова інтерпретація квантової фізики, в якій йдеться про те, що рівняння Шредінгера завжди застосовується, а хвильові функції ніколи не руйнуються. Тобто всесвіт безперервно “розщеплюється” (не розширюється!), і кожен можливий результат окремої події відбувається десь у “мультивсесвіті”.
Теорія пілотної хвилі, як альтернатива, вказує на те, що рух квантових частинок керується хвилями, і ці частинки можуть впливати на далекі хвилі швидше, ніж світло, хоча це не може бути використано для передачі енергії або сигналів швидше, ніж світло, оскільки світ “вміщено” у світловий конус.
Ці дві концепції створюють два різних образи реальності, але обидва добре відповідають математиці квантової механіки, яку ми знаємо. Існують інші альтернативні фізичні теорії, такі як теорія спонтанного колапсу, яка стверджує, що колапс хвильової функції не пов’язаний з вимірюванням і є природним процесом, що відбувається випадково.
Квантові інтерпретації, які намагаються вирішити проблему вимірювання, в основному є філософською темою, наповненою різними ідеями. Вони можуть також вказати шлях до інших проблем фізики, таких як теорія квантової гравітації або “теорія всього”, яка була кінцевою метою фізики Альберта Ейнштейна.
В будь-якому випадку, проблеми, які висувала копенгагенська інтерпретація, нарешті отримують увагу, яку вони ігнорували більше 80 років. І шлях квантової механіки може виявитися ключовим для всіх фізичних теорій, які описують навколишній світ як “тимчасово непорушне”.
