ФІЛОСОФІЯ НА ДОПОМОГУ: чи можуть фізики самотужки збагнути, що таке квантова механіка?

Джерело фото: fau.eu

Цьогоріч науковий світ відзначив столітній ювілей квантової механіки. Проте навіть через 100 років експерти змушені визнати: різні вчені розуміють її суть по-різному. Її історія та сучасний статус залишаються полем битви для суб’єктивних інтерпретацій. Це з’ясувалося в результаті найбільшого опитування серед науковців, проведеного міжнародним науковим журналом Nature.

У КВАНТОВОЇ ТЕОРІЇ БАГАТО «СЕНСІВ»

кщо ви попросите групу фізиків пояснити квантовий експеримент, то навряд чи отримаєте двічі однаковий опис. При цьому всі погодяться, що математична основа квантової механіки чудово передбачає результати експериментів у субатомному світі. Її використовують для створення найрізноманітніших технологій — від комп’ютерних чіпів до лазерів та ядерних годинників. Але практична користь парадоксальним чином ніяк не прояснює для науковців фізичного сенсу цієї теорії. Звідси така велика кількість суб’єктивних інтерпретацій цієї загадки. За останні 100 років вчені-фізики так і не змогли дійти єдиної думки щодо фундаментальної природи реальності, частинок і сил, які її формують. Це відбувається з цілої низки причин.

НАДТО ВУЗЬКИЙ КОНСЕНСУС

Квантова механіка дозволяє дослідникам надзвичайно точно узгоджувати очікувані результати спостережень. І це не лише чудово, а й напрочуд дивно. Адже експерименти свідчать про невизначений та імовірнісний квантовий світ. Явище заплутаності може пов’язувати долі частинок між собою, навіть якщо вони фізично розділені великими відстанями. Вірогідно, вони поводяться подібно до хвиль, інтерферуючи одна з одною і самі з собою доти, доки їх не виміряють. Та щойно вимірювання проведено, їхня поведінка стає більш впорядкованою. І тоді, ймовірно, результатами експериментів керують статистичні правила. Але на цьому, можна сказати, науковий консенсус і закінчується.

ЩО ПОКАЗАЛО ОПИТУВАННЯ НАУКОВЦІВ

Проведене науковим журналом Nature найбільше в історії науки опитування вчених показало, що розбіжності виникають одразу ж, як тільки фізиків починають запитувати, що саме вони розуміють під вищезазначеним. Наприклад, існують різні варіанти відповіді на запитання: що відбувається з квантовими об’єктами між вимірами? Або що лежить в основі таких явищ, як випадковість? Так само майже немає консенсусу з інших питань. Чи справді частинка може існувати в двох місцях одночасно? Чи існують множинні всесвіти? І взагалі, чи відповідають математичні величини, що лежать в основі квантової механіки, чомусь реальному?

«РЕАЛІСТИ» ТА «ЕПІСТЕМОЛОГИ»

На жаль, за результатами опитування запитань виникає більше, ніж відповідей. Однак якщо спробувати якось класифікувати численні суб’єктивні інтерпретації, то їх можна умовно розділити на дві великі групи. Перші — це «реалісти», які вважають, що квантова фізика може й повинна створювати візуалізований опис світу. Другі — прихильники «епістемічного» погляду (від грец. episteme — знання), котрі інтерпретують теорію виключно як таку, що стосується знання та передбачення експериментальних результатів.

В ОЧІКУВАННІ НОВОЇ ТЕОРІЇ

Суперечки між цими двома групами науковців створюють у головах «звичайних» людей неймовірну плутанину, що відкриває широкий простір для всіляких псевдонаукових теорій і домислів. Але, з іншого боку, ця розбіжність позицій може приносити чималу користь, оскільки об’єктивно рухає науку вперед. Скажімо, такі технології, як квантові комп’ютери та квантова криптографія. Науковці сподіваються, що їхні суперечки врешті допоможуть знайти шлях до розгадки нерозв’язних загадок фізики. Приміром, зрозуміти природу гравітації — єдиної фундаментальної сили природи, яку квантова теорія на даний час не може пояснити. Згідно з опитуванням журналу Nature близько 75% дослідників вважають, що квантову теорію цілком або частково буде неминуче заміщено іншою, більш повною теорією.

СТАВКА НА ІНТУЇЦІЮ ТА ОБРАЗНЕ МИСЛЕННЯ

В очікуванні появи нової теорії фізики більше покладаються не так на експерименти та обчислення, як на уяву та інтуїцію. Зокрема, Ален Аспе з Університету Париж-Сакле, який 2022 року здобув Нобелівську премію з фізики, вважає розбіжність думок у міркуваннях про квантові основи чудовим джерелом образів. А образне мислення, на думку Аспе, своєю чергою, стимулює інтуїцію. Мисленнєві експерименти — це саме те, що допомагає сучасним вченим досягати прогресу в розумінні основ квантової фізики. Тут можна згадати Ренато Реннера й Даніелу Фраухігер зі Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюриху. Їхній мисленнєвий експеримент наклав обмеження на те, що різні інтерпретації можуть вважати істинним одночасно.

ЯК ПРОЛИТИ СВІТЛО НА ТЕМНУ МАТЕРІЮ

Не лише теоретичні, а й реальні експерименти набувають сьогодні грандіозних масштабів. Дуже важливою подією став експеримент із найбільшим у світі детектором темної матерії XENONnT, розташованим під горою Гран-Сассо в Італії. З його допомогою група науковців зі США, Європи та Азії намагалася виявити частинки темної матерії, які взаємодіють з атомами рідкого ксенону. Згідно з сучасними уявленнями темна матерія — це близько 85% речовини у Всесвіті, яка не випромінює світло та майже не взаємодіє зі звичайною матерією. Зафіксувати темну матерію в процесі експерименту так і не вдалося. Хоча науковці спромоглися отримати найжорсткіші на сьогодні обмеження на взаємодію легкої темної матерії з електронами.

КОПЕНГАГЕНСЬКА ІНТЕРПРЕТАЦІЯ

Щоб створити менш розмите уявлення про квантовий світ, вчені пропонують поглибити діалог між фізиками та філософами. Це дозволило б краще зрозуміти різні мовні інтерпретації та припущення, що використовуються в квантових теоріях. Нагадаємо, що одним із найпоширеніших підходів до розуміння квантової теорії є Копенгагенська інтерпретація. Вона стала підсумком об’єднання поглядів двох засновників цієї галузі — Нільса Бора та Вернера Гейзенберга, які геть не завжди погоджувалися один з одним. Однак обидва вони вважали: теорія не мусить базуватися на тому, що неможливо спостерігати, та їм краще зосередитися на тому, що перевіряється експериментально.

ФІЗИКА ТА ФІЛОСОФІЯ ПОТРІБНІ ОДНА ОДНІЙ

Щоправда, підхід Бора та Гейзенберга, як показав огляд Nature, не надто популярний серед тих, кого цікавлять філософські основи квантової теорії. Своєю чергою, фізики, на відміну від «філософів», зрідка погоджуються з тим, що якісь «радикальні» теорії можуть пояснити їхні спостереження. Приміром, такі як теорія багатосвітової інтерпретації, що припускає існування величезної кількості всесвітів. Проте в науковій спільноті поступово народжується розуміння, що фізика та філософія потребують одна одної. Вони тісно переплетені, взаємопов’язані, й чіткої межі між ними немає. Можливо, що саме на стику цих дисциплін образне мислення та інтуїція зможуть породити видатні наукові концепції, що виходять за межі нинішнього обмеженого консенсусу.

Оригінальне дослідження: