Авторка: Міріам Френкель, ведуча подкасту, редакторка журналу The Conversation.
Інтерв’ю з К’ярою Марлето, дослідницею-фізикинею Оксфордського університету, Кристофером Тимпсоном, професором філософії фізики Оксфордського університету, Маркусом Губером, професором фізики Віденського технічного університету.
Що таке «об’єктивна реальність» і чому вона здається очевидною
Багатьом здається само собою зрозумілим: у світі є конкретні об’єкти, які займають конкретні місця й мають властивості незалежно від того, чи ми дивимося. Якщо я бачу парасольку на полиці, я припускаю, що ви теж її бачите, а якщо її ніхто не торкався, вона й надалі там стоїть. Ця інтуїція лежить в основі повсякденного мислення та великої частини класичної фізики.
Однак квантова механіка, яка описує поведінку атомів і частинок, кидає виклик цій впевненості. Те, що здається простим і очевидним на макрорівні, на мікрорівні може виглядати зовсім інакше: система може водночас «знаходитись» у кількох взаємовиключних станах, доки хтось не подивиться. Такий стан речей важко узгодити з ідеєю одномоментної, загальної для всіх, об’єктивної реальності.
Хвильова функція, суперпозиція і «колапс»
Квантова теорія описує кожну систему хвильовою функцією, яка змінюється з часом. Хвильова функція не підказує одну визначену характеристику, а дає набір можливостей — наприклад, місця, де частинка може опинитися. Коли система в суперпозиції, вона формально містить кілька взаємовиключних варіантів одночасно.
Такий опис народжує питання: коли і як із безлічі потенційних варіантів виникає один конкретний результат? У практичних розрахунках фізики говорять про «колапс хвильової функції»: момент спостереження начебто обирає один із можливих станів, роблячи його реальним. Але ця ідея породжує іншу загадку: чому саме акт спостереження змінює еволюцію системи і чому результат вибирається випадково?
Деякі дослідники вважають, що змиритися з випадковістю — простіше, ніж вигадувати інші пояснення. Як каже Маркус Губер, вільний від випадковості підхід вимагатиме дуже дивних і складних рішень, наприклад уявлення, що майбутнє впливає на минуле, або що кожний вимір породжує кілька реальних результатів одночасно, або що все визначено з самого початку. Для багатьох такі варіанти здаються менш привабливими, ніж прийняти випадковість як базову рису квантової механіки.
Коли спостерігачі не погоджуються: приклад Лізи та Ніхіла
Одне з найяскравіших ілюстраційних ускладнень — ситуація, де різні спостерігачі мають різні «факти» про ту саму систему. У сценарії з науковицею Лізою: вона в лабораторії вимірює місцезнаходження частинки і впевнена, що знає результат. Тим часом її колега Ніхіл, не заходячи в лабораторію, може описати Лізу й ту систему як перебуваючих у суперпозиції — тобто з точки зору Ніхіла Ліза ніби одночасно бачить різні результати.
Наслідок такого розходження очевидний: двоє людей можуть погоджуватися щодо того, що відбулося, або мати різні, несумісні твердження про одну й ту саму подію. Це змушує поставити під сумнів загальноприйняту ідею про єдину, об’єктивну історію подій незалежно від того, хто її спостерігає.
Заплутаність і відсутність локального посередника
Інше незвичне явище квантової механіки — заплутаність: дві чи більше частинки можуть виявитися в такому стані, що властивості однієї миттєво корелюють з властивостями іншої, навіть коли вони розділені величезними відстанями. Це підриває звичне уявлення, що для обміну інформацією потрібен локальний фізичний посередник.
Заплутаність демонструє, що зв’язки між елементами квантової системи можуть не відповідати нашій інтуїції про простір і час. У сукупності з питаннями про суперпозицію й вимір це створює набір проблем, які змушують фізиків і філософів шукати глибші пояснення.
Інтерпретації: різні шляхи розуміння квантової теорії
Фізики давно сперечаються, як інтерпретувати формалізм квантової механіки. Основні підходи різняться в тому, чи вважають вони квантову теорію буквальним описом реальності, чи лише інструментом для передбачення результатів вимірювань.
- Багатосвітова інтерпретація: стверджує, що всі потенційні результати вимірювань відбуваються, але кожен у своєму паралельному всесвіті.
- Копенгагенські інтерпретації: об’єднують підхід, згідно з яким квантовий стан слугує передусім «посібником для користувача» і не є всеосяжним описом реальності, як пояснює Кристофер Тимпсон.
Кристофер Тимпсон підкреслює, що копенгагенські підходи принаймні частково відмовляються від мети описувати все, і тому розглядають квантовий стан як інструмент для передбачення поведінки під час макроскопічних вимірювань. Інші інтерпретації намагаються зберегти описовість, але платять ціну інтуїтивною дивністю — наприклад, множинністю світів чи ретроспективними впливами.
Чому деякі пояснення здаються неприємними
Парадоксальність та багатство варіантів роз’яснюється просто: відмовляючись від елемента випадковості, ми змушені прийняти якісь інші дивні характеристики світу. Для деяких дослідників це менша ціна, ніж визнати фундаментальну випадковість у поведінці природи; для інших — навпаки.
Теорія конструктора і шляхи до розв’язання
К’яра Марлето пропонує підхід під назвою «теорія конструктора» (англ. constructor theory). В її формулюванні фізику слід будувати на простих принципах про те, які перетворення у Всесвіті можливі, а які — ні. Такий підхід має на меті дати ширшу основу, ніж поточні формулювання, і допомогти зрозуміти, чому ми не помічаємо квантових ефектів у повсякденному житті.
Марлето підкреслює: у законі фізики немає нічого, що прямо забороняло б квантові ефекти для об’єктів розміром з людину. Отже, можливі два шляхи: або знайдеться новий принцип, який пояснить неможливість таких ефектів на макрорівні, або потрібно прагнути створити умови в лабораторії, де подібні ефекти з’являться. Вона також працює над тим, щоб поєднати квантову механіку із загальною теорією відносності і пропонує експерименти, що можуть відкинути окремі інтерпретації.
Отже, наука рухається двома паралельними шляхами: філософськими дискусіями про те, як краще інтерпретувати вже відомий формалізм, і експериментальними зусиллями, які прагнуть поставити критичні перевірки для конкретних моделей. Обидва підходи важливі, і їхня взаємодія може призвести до глибшого розуміння природи реальності.
З англійської переклали Ірина Бачуріна та Каріна Липка
