Парадоксите на квантовата механика смущават съня на физиците

Сигурно сте чували, че квантовата механика е толкова парадоксална, че понякога навежда на мисълта за съществуването на висш разум.

Но ето че и светилата на науката така и не са единни в мнението си за природата на квантовата физика. Знаете ли защо?

Същината на квантовата механика се изплъзва от разбиране като пясък през пръстите – и това поражда парадокси, взаимоизключващи се параграфи и „призрачни действия“. Просто казано, макар квантовата механика да работи дяволски добре, никой не знае как и защо работи тя.

Много физици прекарват безсънни нощи, блъскайки си главите над природата на квантовата механика, тъй като появата на физика на квантовата информация ни вещае много блага (квантова криптография, квантови компютри и прочие „тайни разработки“), но разбирането на самата природа на квантовата механика остава непреодолима бариера.

Квантовата механика работи независимо от интерпретациите, но интуицията се оказва прекалено слаба, когато е необходимо да се прояснят странните аспекти на квантовата механика. За последните тридесет години учените буквално са се изнесли на палатки пред бариерата, опитвайки се да разберат и да постигнат съгласие по въпроса защо и как работи квантовата механика.

В недалечната 2011 година се състояла конференция „само за избрани“ с името „Квантовата физика и природата на реалността“ (QPNR).

Много видни физици, математици и философи, чиято основна дейност е разбор и интерпретация на квантовата механика, се събрали, за да приведат мислите на науката в ред.

Какво се прояснило на конференцията QPNR? Макар че умишлено ще пропуснем математическите тънкости, ще получим отговори на някои вълнуващи въпроси. Всички учени на конференцията получили въпросник, в някои случаи можели да гласуват повече от веднъж, но за да не ви плашим, сме опростили резултатите. Също както и въпросите.

Въведение в квантовата механика

Първият въпрос, с който ще започнем да разнищваме въпросника на QPNR, е проблемът на квантовото измерване. Това ще ни даде възможност да хвърлим светлина на някои основни понятия в квантовата механика.

В квантовата механика вълновата функция на обекта описва всички измерими свойства на този обект. Тя е пълно описание на това, което се нарича квантово състояние на обекта.

Вълновата функция се описва от знаменитото уравнение на Шрьодингер, който според слуховете го написал по време на почивка в отговор на хвърлените му предизвикателства от страна на светилата на науката. Уравнението описва поведението на вълновата функция в отговор на проявлението на външната среда.

Математическите детайли сега не са важни, с изключение на едно: уравнението на Шрьодингер е линейно. Ако поставите няколко различни решения в линейното уравнение, тяхната сума също ще бъде решение. Това се нарича принцип на суперпозиция и се явява не физически резултат, а по-скоро свойство на основната математическа структура в квантовата механика.

Същността му е в това, че съществува клас вълнови функции, които се наричат квантови суперпозиции, едновременно описващи различни квантови състояния на обекта.

Нека поставим обект в суперпозиция, да го измерим и да разгледаме какво се получава съгласно стандарта на квантовата механика. Да вземем две еднакви топки – червена и синя. Да ги накараме да се въртят с два кванта (един квант е половин единица) ъглов момент (който наричаме спин). Червената топка ще има горен спин, а синята – долен. Квантовото състояние на двете топки, преди да се сблъскат, ще бъде червена-горе + синя-долу.

Ако измерите спина на двете топки, ще откриете, че червената топка винаги има спин +1, а при синята той е -1, а значи сумата на двете ще бъде равна на нула. Това е важно, тъй като сумарният спин на системата се явява константа в квантовата механика.

Сега да сблъскаме топките. Ако техните повърхности притежават свойства, подобни на тези, които са ни известни, двете топки могат да предадат спина си една на друга.

Най-очевидните резултати ще бъдат такива: нищо няма да се промени (червена-горе + синя-долу, което ние обозначаваме като [1 -1]; спинът ще се промени (червена-долу + синя-горе, или [-1 1]; спинът ще се занули (червена-нула + синя-нула, или [0 0].

Тъй като може да се случи всяко от тези три събития, преди да измерим състоянието на топките, те се намират в състояние на заплетена суперпозиция. Тяхното квантово поле на сблъсъка и преди измерването ще бъде [1 -1] + [-1 1] + [0 0].

(За квантовите скептици: ако измерим разнопосочните спинове на червената и синята топка, теоремата на Бел ни говори, че корелацията между резултатите от измерването ще бъде по-силна, отколкото е възможно в класическата и гореописаната система. Този теоретичен резултат се наблюдава и експериментално, доказвайки, че спинът на всяка от топките след сблъсък няма определена стойност, докато не се измери.)

Да измерим спина на червената топка след сблъсъка. Ако той е равен на 1, квантовото състояние на двете топки след измерването ще бъде [1 -1] – двете други суперпозиции изчезват, тъй като не се съгласуват с измерването. Същото ще бъде, ако резултатът от измерването е -1 или 0 – квантовото състояние ще бъде [-1 1] и [0 0].

Всяко възможно състояние, несъвместимо с резултатите от измерването, изчезва, дори ако е съществувало в изходната суперпозиция.

Проблемът на квантовото измерване

Какво ще се случи, ако решим изцяло да се доверим на квантовата механика? В края на краищата, тя може да опише всички измерими явления. Инструментът, който измерва спина, е доста сложна квантова система, а човекът, който владее този инструмент, е още по-сложна квантова система. Ако мога да имам три различни резултата от измерването на спина, защо да не вляза в суперпозиция на измерване на всеки от трите възможни резултата?

Доколкото ни е известно, нито един човек не усеща себе си в състояние на суперпозиция – ние дори не знаем какво е това чувство. Резултатът от измерването, както беше описано по-горе, съгласно нашия опит, е равен на едно определено число.

За да преведе наблюденията на квантовата механика „на езика на нашия опит“, стандартната квантова механика предполага, че измервателните уреди и наблюдателите са класически в своето поведение.

Не съществува суперпозиция на класическите измервателни уреди и наблюдателите, затова измерването дава един определен отговор, което ние и очакваме. Такова заключение е напълно закономерно, но от това физиците не спят по-добре и не спорят по-малко.

Проблемът е в това, че има редица причини да смятаме, че измервателните уреди и наблюдателите всъщност не се явяват класически в своето поведение. По-скоро тяхната вълнова функция в съчетание с уравнението на Шрьодингер дава пълно описание на възможното поведение на обекта.

Некласическото поведение на големи измервателни уреди е било доказано в рамките на квантовата механика от теоремата на неразрешимостта. Ако структурата на квантовата механика се съхранява за всички системи, в края на процеса на измерване наблюдателят, измерващата апаратура и измерваният обект ще се намират в квантова суперпозиция от всички състояния в съответствие с вълновата функция на измервания обект.

Отчитайки това, проблемът с квантовото измерване може да звучи така: защо измерването, което се провежда с големи и сложни квантови устройства (включително самите нас), дава определен и единичен резултат?

Ако даден аспект в квантовата механика води процеса на измерване до определен резултат, то какъв точно е този аспект? Може ли да го въведем в рамките на съществуващата квантова теория, или е необходимо да я разширим?

Оригиналните понятия колапс на вълновата функция и класически наблюдател били опит да се отговори на този въпрос, но теоремата на неразрешимостта показала, че това не е достатъчно.

Някои учени предположили, че уравнението на Шрьодингер трябва да бъде променено, за да се включат някои нелинейни условия, които да показват ясни състояния по време на измерването. При тези предположения съществуват редица проблеми – дори заради това, че стандартната квантова механика работи прекалено добре, за да може просто така да се промени фундаментално уравнение, без да се развалят добрите му части.

В интерпретацията за паралелните светове на Хю Еверет провеждането на измерване с различни резултати води до образуването на множество алтернативни вселени – по една за всеки възможен резултат. Това позволява да се реши проблемът на измерването – наблюдателят се разпада заедно с измервателния уред, защото не забелязва множеството.

Но в този случай ще ви се наложи да повярвате в това, че излитането на фотона от атома ражда нови вселени…

Декохеренцията, която се явява следствие от взаимодействието на квантовата система с нейното обкръжение, може да доведе до това, че суперпозиционните състояния на вълновата функция са неспособни да си взаимодействат едно с друго, в резултат на което техните вероятности стават независими.

Някои смятат, че именно в този момент вълновата функция колапсира, други – че това изобщо няма отношение към проблема на измерването, тъй като всичко наоколо създава суперпозиция, заплитайки се с околната среда.

Котката на Шрьодингер и макроскопичните суперпозиции

Мисленият експеримент под названието „Котка на Шрьодингер“ е известен на мнозина. В кутия е поставена котка. Вътре има механизъм, съдържащ радиоактивно ядро и съд с отровен газ. Параметрите на експеримента са така подбрани, че вероятността ядрото да се разпадне за 1 час е 50%. Ако ядрото се разпадне, механизмът се задейства, отваря съда с отровен газ и котката умира.

Същината на експеримента е в това, че условията точно се описват от квантовата механика (ще се разпадне ли радиоактивното ядро?), а самият той е представен от класически проблем (жива или мъртва е котката?). Ние искаме да разгледаме на какъв етап резултатът от експеримента ще престане да се намира в компетенциите на квантовата механика и ще стане обикновено класическо „да“ или „не“.

Основният аргумент е такъв: докато кутията не се отвори, котката ще се намира в квантова суперпозиция на едновременно жива и едновременно мъртва. От друга страна, ако котката влезе в ролята на наблюдател, тя поне ще знае, че е жива. (Осъзнаването от котката на факта, че е мъртва, ще зависи от съществуването на отвъден живот – и такова се предлага в квантовата механика). Спорът ще продължи безкрайно.

В интерпретацията за паралелните светове съдбата на котката не е толкова печална. Когато кутията се отвори, Вселената се разцепва на две – в едната котката продължава да живее, а в другата – не.

Един от проблемите в квантовата механика е физическата реалност на квантовите състояния. В допитването на QPNR имало такъв въпрос: квантовото състояние само описва реалността (епистемично) или се явява реално, както електричното поле, тоест може да се измери (онтично)?

Епистемично – 27%;

Онтично – 24%;

И едното, и другото – 33%;

Строго статистическо – 3%;

Друго – 13%.

Случайността в квантовата механика

Друг фундаментален въпрос в квантовата механика е случайността на отделни квантови събития, от рода на въпросния разпад на радиоактивния атом. Квантовата механика предсказва поведение, което се съгласува със случайния разпад с характерните периоди на полуразпад за този разпад (простете за тавтологията).

Но случаен ли е процесът на разпада, или просто изглежда такъв? Във въпросника на QPNR имало четири варианта: скрит детерминизъм; само изглежда случаен; минимална случайност и случайността като фундаментален принцип на природата.

Скритият детерминизъм е гледна точка на Айнщайн – съществува скрит механизъм в основата на това, което ние възприемаме като квантова реалност. Това явление всъщност е класическо и механично, но ние не можем да го наблюдаваме.

Вселената само изглежда случайна в интерпретациите за паралелни светове, от рода на тази на Еверет. Възприятието на случайностите е само страничен ефект от откриването на себе си в един от новите клонове на вселената.

И най-сложната част се заключава в разликата между минималната случайност и случайността като фундаментален принцип на природата. Последното изобщо се изплъзва от разбиране.

Грубо казано, минималната случайност описва Вселена, в която съществуват явления, които водят до непредсказуеми резултати, а понятието фундаментална случайност описва Вселена, в която случайността лежи в самата ѝ основа на работа.

За разлика от скрития детерминизъм, фундаменталната случайност се разпространява и на поднивата на реалността, в случай на съществуването на такива.

Липсата на подкрепа на скрития детерминизъм (извинявай, Айнщайн) очевидно е свързана с експерименталното потвърждение на теоремата на Бел. Според тази теорема в нашата Вселена не може да има скрити параметри.

Забавно, но не всички привърженици на Еверет са съгласни с това, че наблюдаваната случайност се явява следствие от нашия избор в тази Вселена.

А ето че двете най-странни понятия са събрали максимум точки. Изглежда, това е момент, когато неувереността и неопределеността набират силата на увереност и определеност.