Квантовата теория описва реалност, управлявана от вероятности. Как да съчетаем тази реалност със ежедневните ни преживявания, все още не е съвсем ясно.
Учените са подобни на златотърсачи, които разкопават природния свят в търсене на скъпоценни камъни за физическата реалност. И през неотдавна отминалия век учените издълбаха достатъчно дълбоко, за да открият, че основите на реалността не отразяват света на всекидневните явления. В основата си реалността се описва от мистериозен набор от математически правила, известни като квантова механика.
Квантовата механика е замислена в началото на 20-и век, появява се в пълния си вид в средата на 20-те му години и е математиката, която обяснява материята. Това е теорията за описване на физиката на микросвета, където атомите и молекулите си взаимодействат, за да създадат света на човешкия опит. Също така тя е в ядрото на всичко, което направи отминалия век толкова драматично различен от предходния. От мобилните телефони до суперкомпютрите, от DVD до pdf файловете, квантовата физика подхранва днешната икономика, базирана на електрониката, преобразява търговията, комуникацията и развлеченията.
Но квантовата теория показа на учените много повече от това как да правят компютърни чипове. Тя ги научи, че реалността не е такава, каквато изглежда.
„Фундаменталната природа на реалността може да бъде коренно различна от познатия ни свят на обекти, които се движат в пространството и взаимодействат помежду си“, загатва физикът Шон Карол в скорошен пост в Туитър. „Не бива да се заблуждаваме, че светът, който преживяваме, е светът такъв, какъвто е в действителност.“
В негова статия, подкрепяща поста му, Карол отбелязва, че квантовата теория се състои от уравнения, които описват математически същности, обитаващи абстрактна страна от възможни природни събития. Според Карол е правдоподобно това квантово царство на математическите възможности да представлява истинската, фундаментална природа на реалността. Ако това е така, всички физични явления, които възприемаме, са само „възникващо на по-високо ниво описание“ на това, което всъщност се случва.
„Възникващите“ събития в обикновеното пространство са реални по свой собствен начин, но не са фундаментални, допуска Карол. Убеждението, че „пространствената арена“ е фундаментална, „е по-скоро въпрос на удобство и конвенция, отколкото на принцип“, казва той.
Гледната точка на Карол не е единственият начин за разглеждане на значението на квантовата математика и не се споделя изцяло от повечето физици. Но всички са съгласни, че квантовата физика е променила драстично разбирането на човечеството за природата. Всъщност, един честен прочит на историята ще покаже, че квантовата теория е най-драматичната промяна в концепцията на науката за реалност, откакто древните гърци са отхвърлили митологичните обяснения на природните явления в полза на логиката и разума. И все пак самата квантова физика изглежда като да се противопоставя на логиката и разума.
Това, разбира се, не е така. Квантовата теория представлява крайният резултат от висше логическо съждение, достигащо истини, които никога не биха могли да бъдат открити само чрез наблюдение на видимия свят.
Оказва се, че в микросвета – извън обсега на сетивата – явленията играят на игра с фантастични правила. Основните частици на материята не са малки камъчета, а по-скоро призрачни вълни, които поддържат множество възможни за бъдещето си, докато не бъдат принудени да приемат субатомния еквивалент на вещество. В резултат на това квантовата математика не описва безмилостна причинно-следствена последователност от събития, както Нютоновата наука настоява. Вместо това науката се превръща от диктатор в създател на шансове; квантовата математика казва само вероятности за различни възможни резултати. Винаги остава известна несигурност.
Според квантовата механика, дали електронът се държи като частица или вълна, зависи от начина, по който е наблюдаван.
Квантовата революция
Откриването на квантовата неопределеност беше това, което за първи път впечатли света с дълбочината на квантовата революция. През 1927 г. германският физик Вернер Хайзенберг изумява научната общност с откритието, че детерминистичната физика на причина и следствие се проваля, когато е приложена за атомите. Хайзенберг стига до извода, че е невъзможно да се измери едновременно местоположението и скоростта на субатомна частица. Ако едното се измери точно, то за другото остава известна неопределеност.
“Една частица може да има точно място или точна скорост, но не може да има и двете“, както съобщава Science News Letter, предшественика на Science News, съобщено през 1929 г. „Грубо казано, новата теория твърди, че случайността управлява физическия свят.“ Принципът на неопределеността на Хайзенберг „е предопределен да революционизира представите за Вселената, които имат учените и неспециалистите, дори в по-голяма степен, отколкото относителността на Айнщайн“.
Вернер Хайзенберг през 1936 г. обявява със своя принцип на неопределеността, че позицията и скоростта на една частица не могат да бъдат точно измерени по едно и също време.
Пробивът на Хайзенберг е кулминацията на поредица от квантови изненади. Първо немският физик Макс Планк открива през 1900 г., че светлината и други форми на радиация могат да бъдат поглъщани или излъчвани само на дискретни порции, които Планк нарича кванти. Няколко години по-късно Алберт Айнщайн твърди, че светлината също се движи в пространството като порции или частици, по-късно наречени фотони. Много физици отхвърлят такива ранни квантови сведения като несъществени. Но през 1913 г. датският физик Нилс Бор използва квантовата теория, за да обясни структурата на атома. Скоро светът осъзнава, че реалността трябва да се преразгледа.
До 1921 г. осведомеността за квантовата революция започва да излиза извън рамките на конференциите по физика. През същата година Science News Bulletin, първата версия на Science News, разпространява това, което се смята за „първото популярно обяснение“ на квантовата теория на радиацията, представено от американския физикохимик Уилям Д. Харкинс. Той заявява, че квантовата теория е от „много по-голямо практическо значение“ отколкото теорията на относителността.
„Тъй като се занимава с отношенията между материята и радиацията – пише Харкинс – квантовата теория е от фундаментално значение във връзка с почти всички процеси, които познаваме.“ Електричеството, химичните реакции и как материята реагира на топлина – всички те изискват квантово теоретично обяснение.
Що се отнася до атомите, класическата физика твърди, че атомите и техните частици могат да се движат „по огромен брой различни начини“, заявява Харкинс. Но квантовата теория твърди, че „от всички състояния на движение (или начини на движение), предписани от по-старата теория, само определен брой се случват в действителност“. Следователно събитията, за които преди се е смятало, че „протичат като непрекъснати процеси, всъщност протичат на стъпки“.
Но през 1921 г. квантовата физика е все още в зародиш. Някои от нейните идеи са били възприети, но в пълния си облик остава неразработена в детайли. През 1925 г. Хайзенберг за първи път превръща озадачаващата главоблъсканица от разпръснати парченца от пъзел в съгласувана математическа картина. Решаващият му напредък е разработването на начин за представяне на енергиите на електроните в атомите с помощта на матрична алгебра. С помощта на немските физици Макс Борн и Паскуал Джордан математиката на Хайзенберг става известна като матрична механика.
Скоро след това австрийският физик Ервин Шрьодингер разработва конкурентно уравнение за енергията на електроните, разглеждайки предполагаемите частици като вълни, описани от математическа вълнова функция. „Вълновата механика“ на Шрьодингер се оказва математически еквивалентна на подхода на Хайзенберг, базиран на частиците, и „квантовата механика“ се превръща в общ термин за математиката, която описва всички субатомни системи.
И все пак известно объркване остава. Не е било ясно как подход, илюстриращ електроните като частици, би могъл да бъде равнозначен на друг, който ги счита за вълни. Бор, който по това време е смятан за водещ световен атомен физик, обмисля въпроса задълбочено и през 1927 г. стига до нова гледна точка, която нарича комплементарност.
Бор твърди, че възгледите за частиците и вълните се допълват; и двата са необходими за пълното описание на субатомните явления. Дали дадена „частица“ – например електрон – се проявява като вълна или частица, зависи от опитната постановка, с която я наблюдаваме. Апаратура, предназначена да открие частица, ще открие частица; апаратура, предназначена да открие вълново поведение, ще открие вълна.
Приблизително по същото време Хайзенберг извежда своя принцип на неопределеността. Както вълната и частицата не могат да бъдат наблюдавани в един и същи експеримент, така и позицията и скоростта не могат да бъдат точно измерени едновременно. Както коментира физикът Волфганг Паули: „Сега настава ден в квантовата теория.“
Но квантовото приключение всъщност едва започва.
В интерпретацията на квантовата механика за многото светове съществуват всички възможни реалности, но хората възприемат само една.
Големият дебат
Много физици, сред които и Айнщайн, не одобряват следствията от принципа на неопределеност на Хайзенберг. Въвеждането му през 1927 г. изключва възможността за точно предсказване на резултатите от атомните наблюдения. Както е показал Борн, биха могли само да се предвидят вероятностите за различните възможни резултати, като се използват изчисления, базирани на вълновата функция, въведена от Шрьодингер. Айнщайн се прочу с това, че не може да повярва, че Бог играе на зарове с Вселената. Още по-лошо, според Айнщайн дуалността между вълна и частица, описана от Бор, предполага, че физикът може да повлияе на реалността, като реши какъв вид измерване да направи. Айнщайн е вярвал, че реалността съществува независимо от човешките наблюдения.
По този въпрос Бор влиза в поредица от дискусии с Айнщайн, станали известни като дебата Бор-Айнщайн – продължителен диалог, който стига до край през 1935 г. През същата година Айнщайн, заедно със сътрудниците си Нейтън Розен и Борис Подолски, описва мисловен експеримент, който уж показва, че квантовата механика не може да бъде пълна теория на реалността.
В кратко резюме в Science News Letter през май 1935 г. Подолски обяснява, че една пълна теория трябва да включва математически „аналог за всеки елемент от физическия свят“. С други думи, трябва да има квантова вълнова функция за свойствата на всяка физическа система. И все пак, ако две физически системи, всяка от които се описва с вълнова функция, си взаимодействат и след това се разделят, „квантовата механика … не ни позволява да изчислим вълновата функция на всяка физическа система след разделянето“. (На технически език двете системи стават „заплетени“ – термин, въведен от Шрьодингер.) Така че квантовата математика не може да опише всички елементи на реалността и следователно е непълна.
Скоро след това Бор отговаря, както е съобщено в Science News Letter през август 1935 г. Той заявява, че критерият на Айнщайн и колегите му за физическа реалност е двусмислен в квантовите системи. Айнщайн, Подолски и Розен приемали, че дадена система (например електрон) притежава дефинирани стойности за определени свойства (като например импулс), преди тези стойности да бъдат измерени. Квантовата механика, обяснява Бор, запазва различни възможни стойности за свойствата на частицата, докато една от тях не бъде измерена. Не би могло да се допусне съществуването на „елемент от реалността“, без да се посочи експеримент за измерването му.
Нилс Бор и Алберт Айнщайн се разминават в мнението си за природата на реалността. (снимка на Пол Еренфест, с любезното съдействие на визуалния архив на „Eмилио Cегре“, колекция „гамоу”)
Айнщайн не отстъпва. Той признава, че принципът на неопределеността е верен по отношение на това, което може да се наблюдава в природата, но настоява, че някакъв невидим аспект на реалността все пак определя хода на физическите събития. В началото на 50-те години на ХХ век физикът Дейвид Бом разработва такава теория за „скритите променливи“, която възстановява детерминизма в квантовата физика, но не прави никакви прогнози, които да се различават от стандартната математика на квантовата механика. Айнщайн не е впечатлен от усилията на Бом. „Този начин ми се струва твърде евтин“, пише Айнщайн на Борн, приятел през целия му живот.
Айнщайн умира през 1955 г., а Бор през 1962 г., като никой от двамата не се съгласява с другия. Във всеки случай спорът е изглеждал неразрешим, тъй като експериментите бихa дали едни и същи резултати и в двата случая. Но през 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел извежда хитроумна теорема за заплетените частици, която дава възможност експериментално да се изследва възможността за скрити променливи. От 70-те години на миналия век и до днес експеримент след експеримент потвърждава стандартните квантовомеханични прогнози. Възражението на Айнщайн е отхвърлено от съда на природата.
Въпреки това много физици изразяват смущението си от мнението на Бор (обикновено наричано Копенхагенска интерпретация на квантовата механика). Едно особено ярко предизвикателство идва от физика Хю Еверет III през 1957 г. Той настоява, че експериментът не създава една реалност от многото квантови възможности, а по-скоро идентифицира само един клон на реалността. Всички останали експериментални възможности съществували в други клонове, всички еднакво реални. Хората възприемат само собствения си клон, без да знаят за другите, както не са съзнателни за въртенето на Земята. Тази „интерпретация на многото светове“ първоначално е широко игнорирана, но десетилетия по-късно става популярна и днес има много привърженици.
След работата на Еверет са предложени множество други тълкувания на квантовата теория. Някои от тях наблягат на „реалността“ на вълновата функция – математическият израз, използван за предсказване на шансовете на различни възможности. Други подчертават ролята на математиката като описание на познанието за реалността, достъпно за експериментаторите.
Някои интерпретации се опитват да съчетаят възгледа за многото светове с факта, че хората възприемат само една реалност. През 80-те години на ХХ век физици, сред които Х. Дитер Зех и Войчех Зурек, установяват значението на взаимодействието на квантовата система с външната ѝ среда – процес, наречен квантова декохерентност. Някои от многото възможни реалности на една частица бързо се изпаряват, когато тя се сблъска с материя и радиация в близост до нея. Скоро само една от възможните реалности остава съвместима с всички взаимодействия с околната среда, което обяснява защо в човешките мащаби за време и размери се възприема само една такава реалност.
Това прозрение породи интерпретацията на „последователните истории“ (наричана още декохерентни истории), чийто пионер е Робърт Грифитс, а Мъри Гел-Ман и Джеймс Хартъл я развиват в по-задълбочена форма. Тя е широко известна сред физиците, но не е получила по-широка популярност и не е възпряла търсенето на други тълкувания. Учените продължават да се занимават с това какво означава квантовата математика за самата природа на реалността.
Използвайки принципите на квантовата теория на информацията, квантовото състояние на една частица може да бъде възпроизведено на отдалечено място, което е известно като квантова телепортация.
То от квантов бит
През 90-те години на миналия век търсенето на яснота придоби нов характер с появата на квантовата теория на информацията. Физикът Джон Арчибалд Уилър, ученик на Бор, дълго време подчертава, че конкретни реалности се появяват от мъглата на квантовите възможности чрез необратими усилвания – като например електрон, който окончателно установява местоположението си, оставяйки следа след попадане в детектор. Уилър предположи, че реалността като цяло може да бъде изградена от такива процеси, които той сравни с въпросите „да“ или „не“ – тук ли е електронът? Отговорите съответстват на битове информация, 1-и и 0-и, използвани от компютрите. Уилър измисля лозунга „то от бит“, за да опише връзката между съществуването и информацията.
Като задълбочава аналогията, един от бившите ученици на Уилър, Бенджамин Шумахер, разработва понятието за квантова версия на класическия бит информация. През 1992 г. той представя квантовия бит, или кюбит, на конференция в Далас.
Кюбитът на Шумахер е основа за създаване на компютри, които могат да обработват квантова информация. Такива „квантови компютри“ бяха предвидени преди това по различни начини от физиците Пол Бениоф, Ричард Файнман и Дейвид Дойч. През 1994 г. математикът Питър Шор показа как квантов компютър, манипулиращ кюбити, може да разбие най-трудните секретни кодове, с което постави началото на търсене на начини за проектиране и изграждане на квантови компютри, способни на това и на други интелигентни изчислителни умения. До началото на 21-и век бяха създадени рудиментарни квантови компютри; най-новите версии могат да изпълняват някои изчислителни задачи, но все още не са достатъчно мощни, за да направят настоящите методи за криптография остарели. За някои видове проблеми обаче квантовите компютри скоро могат да постигнат превъзходство над стандартните компютри.
Нова единица за информация
През 1992 г. Бенджамин Шумахер въвежда квантовия бит (кюбит), който представлява основата на квантовите изчисления. Кюбитът може да съществува едновременно като 0 и 1. Когато кюбитът е представен върху сфера, ъглите, образувани от радиуса към точка на сферата, определят шансовете за измерване на 0 или 1.
Осъществяването на квантовите изчисления не е решило дебата за квантовите интерпретации. Дойч смята, че квантовите компютри ще подкрепят възгледа за многото светове. Едва ли някой друг обаче е съгласен с това. А десетилетията квантови експерименти не са дали никаква подкрепа за нови интерпретации – всички резултати отговарят на традиционните очаквания на квантовата механика. Квантовите системи запазват различни стойности за определени свойства, докато не се измери едно от тях, точно както настояваше Бор. Но никой не е напълно удовлетворен, може би защото другият стълб на фундаменталната физика на XX век, теорията на Айнщайн за гравитацията (общата теория на относителността), не се вписва в рамките на квантовата теория.
От десетилетия насам търсенето на квантова теория на гравитацията не се увенчава с успех, въпреки многото обещаващи идеи. Неотдавна един нов подход предполага, че геометрията на време-пространството, източник на гравитацията в теорията на Айнщайн, може по някакъв начин да бъде изградена от заплитането на квантови същности. Ако това е така, мистериозното поведение на квантовия свят не се поддава на разбиране от гледна точка на обикновените събития в пространството и времето, защото квантовата реалност по-скоро създава време-пространството, отколкото да го запълва. Ако е така, човешките наблюдатели стават свидетели на изкуствена, възникваща реалност, която създава впечатление за събития, случващи се в пространството и времето, докато на истинската, недостъпна реалност не се налага да играе по правилата на време-пространството.
По един груб начин това повтаря възгледа на Парменид, древногръцкия философ, който учи, че всяка промяна е илюзия. Нашите сетива ни показват „пътя на привидността“, твърди Парменид; само логиката и разумът могат да разкрият „пътя на истината“.
Разбира се, Парменид не е стигнал до това прозрение, като е правил изчисления (според него то му е било обяснено от една богиня). Той е ключова фигура в историята на науката, като поставя началото на използването на строги дедуктивни разсъждения и разчита на тях, дори когато те водят до заключения, противоречащи на сетивния опит.
И все пак, както някои други древни гърци са осъзнали, светът на сетивата предлага сведения за реалността, която не можем да видим.
„Феномените са видение на невидимото“, казва Анаксагор. Както казва Карол, от съвременна гледна точка „светът, който преживяваме“, със сигурност е свързан със „света, който наистина е. Но връзката е сложна“, казва той, „и истинската работа е да я разбереш. Всъщност били са необходими две хилядолетия усилен труд, за да прерасне гръцката революция в обясняването на природата в механистичното разбиране на реалността на Нютоновата наука. Три века по-късно квантовата физика революционизира научното разбиране за реалността в сравнима степен. И все пак липсата на съгласие относно значението на всичко това подсказва, че може би науката трябва да позадълбае още малко…“
Превод: Неда Анастасова
Източник: https://www.sciencenews.org/article/quantum-theory-history-reality-uncertainty-physics
