Шлях крізь ймовірний Всесвіт

Дуже непросто описати те, що майже ніхто не розуміє. Але популяризаторові науки і колишньому редакторові часопису Nature Філіпу Боллу це майже вдалося. Його 23-тя книга «За межами дивного: чому все, що ви, як думаєте, знали про квантову фізику, насправді інакше?» (Bodley Head: 2018) — це ясна і глибока розповідь про те, що ми знаємо про квантові закони, а також те, що ж вони можуть означати.

Квантова теорія, яку на початку ХХ століття розробили Макс Планк, Альберт Ейнштейн, Нільс Бор та інші світила науки, позбавляє реальність її звичного значення. Здається, не можна сказати нічого певного про атоми й елементарні частинки, поки їх не виміряно. Положення частинки, здається, випадкове. Його визначає абстрактна хвильова функція, яка не локалізована в одній точці, а займає весь нескінченний простір. Спостереження, здається, руйнує хвильову функцію й магічним чином фіксує частинку в якомусь місці в просторі. Ми живемо, як висловився фізик-теоретик Джон Вілер, у «Всесвіті участі» (participatory Universe). Болл називає квантову теорію «когнітивно непроникною», але при цьому переконливо доводить, що постановка запитань про неї з часом та новими відкриттями глибоко змінювалася.

Сьогодні, за словами автора, ми входимо в активний інтелектуальний період, який він називає «квантовим ренесансом». Його рушіями є дослідження квантового комп’ютера та розвиток квантової інформаційної теорії, в якій перед ведуть такі дослідники, як Девід Дойч, Пітер Шор та Чарльз Беннет. Квантову механіку тепер розглядають як набір правил про поширення й обробку інформації. Крім того, починаючи від досліджень Дітера Цеха у 1970-х та Войцеха Журека у 1980-х, вчені створили досить вичерпне розуміння вододілу між класичним і квантовим світом — причин, через які частинки можуть перебувати в кількох станах одночасно, а коти — ні. Класична фізика тепер розглядається як така, що виникає із квантових законів унаслідок так званої декогеренції: взаємодія із зовнішнім світом змушує квантові суперпозиції втрачати когеренцію в міру того, як інформація про них просочується назовні, причому що більша система, то швидше це відбувається.

Сучасні теоретичні дослідження й експерименти відкрили низку важливих принципів, зокрема інформаційну причинність, що накладає строгий ліміт на кількість інформації, яку можна отримати про систему після того, як її виміряти. Фізики намагаються дійти до основ і відшукати мінімальний набір аксіом, із яких виникає широкий спектр квантової поведінки.

Важливою частиною книги є опис теореми Белла 1964 року, яка дозволила фізикам експериментально довести, що заплутані квантові частинки виявляють «нелокальність». Це відкриття перевернуло традиційне переконання, що об’єкти мають існувати «в місцях».

Інші пасажі захоплюють широтою думки — як, наприклад, дискусія про значення хвильової функції. Спроби збагнути квантову механіку нерідко наштовхували вчених на античні філософські концепції про природу реальності, знання та існування. Чи квантові хвильові функції справді існують — чи ж є лише ймовірнісними описами, які віддзеркалюють наше незнання?

Багато уваги автор приділяє інтерпретаціям квантового світу. Зокрема, він цитує копенгагенську інтерпретацію, яку сформулював Нільс Бор: «Не існує квантового світу, а є лише абстрактний квантово-фізичний опис”. Бор також писав, що квантова фізика описує не те, якою природа «є», а лише те, що ми можемо про неї знати. Болл оцінює копенгагенську інтерпретацію як «гнітюче невловиму».

Але інші пояснення недалеко просунулися в поясненні квантового світу. Теорія де Бройля — Бома, яка припускає, що частинки спрямовують пілотні хвилі, за словами Ейнштейна, «є надто дешевою». Стохастично-колапсуючі моделі пояснюють поведінку частинок, наділяючи хвильові функції екстра-компонентами, які набувають випадкових значень у момент вимірювання. А інтерпретація узгоджених історій проголошує, що все, що відбувається, повинне узгоджуватися з попереднім станом системи. Теорія під назвою QBism трактує квантову теорію як особисті погляди дослідників і навіть ще жорсткіша, ніж копенгагіанство.

Одна з найживіших частин книги — це гостра критика теорії мультивсесвіту. Ця популярна гіпотеза постулює, що кожного разу, коли відбувається вимірювання, Всесвіт ділиться надвоє, й існує безмежна кількість альтернативних реальностей, які охоплюють усі можливі варіанти розвитку подій. Але така концепція логічно суперечлива: якщо припустити, що всі ймовірності спрацьовують, то сама ймовірність втрачає значення.

Жодна з інтерпретацій не є вичерпною, але всі разом вони дають уявлення про те, як влаштований квантовий світ. У плетиві здогадок, здається, поступово формується розуміння. «За межами дивного» аналізує ідеї в цілому, а не лише погляди Ейнштейна, Бора, Шредінгера та інших піонерів квантової теорії. Їхні відкриття та проблеми, з якими вони зіткнулися, як, наприклад, «моторошна дія на відстані» чи суперпозиція котів, були такими геніально дезорієнтуючими, що чимало інших авторів їх багаторазово перефразовували. Заради науки Болл переповідає їх прозою. «Квантова теорія мала найдивнішу генезу, — каже він. — Її піонери створили її, рухаючись уперед. Що ще вони могли б зробити?»

Natalie Wolchover

A trek through the probable universe

Nature, 20/03/2018

Зреферував Є. Л.