ФИЛОСОФИЯ В ПОМОЩЬ: что такое квантовая механика, физикам не понять в одиночку?

Источник фото: fau.eu

В этом году научный мир отметил столетие квантовой механики. Но по прошествии века эксперты вынуждены признать: разные ученые понимают ее смысл по-разному. Ее история и современный статус — по-прежнему поле битвы для субъективных интерпретаций. Это выяснилось в результате крупнейшего опроса среди ученых, проведенного международным научным журналом Nature.

У КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ МНОЖЕСТВО «СМЫСЛОВ»

сли вы попросите группу физиков объяснить квантовый эксперимент, то вряд ли получите дважды одно и то же описание. При этом все будут согласны, что математическая основа квантовой механики великолепно предсказывает результаты экспериментов в субатомном мире. Ее используют для создания самых разных технологий — от компьютерных чипов до лазеров и ядерных часов. Но практическая польза парадоксальным образом никак не проясняет для ученых физического смысла этой теории. Отсюда столь большое количество субъективных интерпретаций этой загадки. За последние 100 лет ученые-физики так и не смогли прийти к единому мнению о фундаментальной природе реальности, частицах и силах, которые ее формируют. Происходит это по целому ряду причин.

ОЧЕНЬ УЗКИЙ КОНСЕНСУС

Квантовая механика позволяет исследователям исключительно точно согласовывать ожидаемые результаты наблюдений. И это не только здорово, но и в высшей степени странно. Поскольку эксперименты свидетельствуют о неопределенном и вероятностном квантовом мире. Явление запутанности может связывать судьбы частиц воедино, даже если они физически разделены на больших расстояниях. По-видимому, они ведут себя подобно волнам, интерферируя друг с другом и сами с собой до тех пор, пока их не измерят. Но как только измерение проведено, их поведение становится более упорядоченным. И тогда, судя по всему, результатами экспериментов управляют статистические правила. Но на этом, можно сказать, научный консенсус и заканчивается.

ЧТО ПОКАЗАЛ ОПРОС УЧЕНЫХ

Проведенный научным журналом Nature крупнейший в истории науки опрос ученых показал, что разногласия возникают сразу же, когда физиков начинают спрашивать, что именно они понимают под вышесказанным. Например, существуют разные варианты ответа на вопрос: что происходит с квантовыми объектами между измерениями? Или что лежит в основе таких явлений, как случайность? Точно так же почти нет консенсуса по другим вопросам. Действительно ли частица может существовать в двух местах одновременно? Существуют ли множественные вселенные? И вообще, соответствуют ли математические величины, лежащие в основе квантовой механики, чему-то реальному?

«РЕАЛИСТЫ» И «ЭПИСТЕМОЛОГИ»

Увы, по результатам опроса вопросов возникает больше, чем ответов. Однако если попытаться как-то классифицировать многочисленные субъективные интерпретации, то их можно условно разбить на две большие группы. Первые — это «реалисты», которые считают, что квантовая физика может и должна создавать визуализируемое описание мира. Вторые — сторонники «эпистемического» взгляда (от греч. episteme — знание), которые интерпретируют теорию исключительно как касающуюся знания и предсказания экспериментальных результатов.

В ОЖИДАНИИ НОВОЙ ТЕОРИИ

Споры между этими двумя группами ученых создают в головах «обыкновенных» людей невероятную путаницу, что открывает широкий простор для всякого рода лженаучных теорий и домыслов. Но, с другой стороны, эта несогласованность позиций может приносить большую пользу, поскольку объективно двигает науку вперед. В частности, такие технологии как квантовые компьютеры и квантовая криптография. Ученые надеются, что их споры в конечном итоге помогут нащупать путь к разрешению неразрешимых загадок физики. Например, понять природу гравитации — единственной фундаментальной силы природы, которую квантовая теория в настоящее время не может объяснить. Согласно опросу журнала Nature, около 75% исследователей считают, что квантовая теория полностью или частично будет с неизбежностью вытеснена другой, более полной теорией.

СТАВКА НА ИНТУИЦИЮ И ОБРАЗНОЕ МЫШЛЕНИЕ

В ожидании появления новой теории физики больше полагаются не столько на эксперименты и вычисления, сколько на воображение и интуицию. Так Ален Аспе из Университета Париж-Сакле, получивший в 2022 году Нобелевскую премию по физике, считает разноголосицу в размышлениях о квантовых основах замечательным источником образов. А образное мышление, по мнению Аспе, в свою очередь, стимулирует интуицию. Мысленные эксперименты — это именно то, что помогает современным ученым достигать прогресса в понимании основ квантовой физики. Здесь можно упомянуть Ренато Реннера и Даниэлу Фраухигер из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. Их мыслительный эксперимент наложил ограничения на то, что различные интерпретации могут полагать истинным одновременно.

КАК ПРОЛИТЬ СВЕТ НА ТЕМНУЮ МАТЕРИЮ

Не только мыслительные, но и реальные эксперименты приобретают сегодня грандиозный масштаб. Весьма значимым событием стал эксперимент с крупнейшим в мире детектором темной материи XENONnT, расположенным под горой Гран-Сассо в Италии. С его помощью группа ученых из США, Европы и Азии пыталась обнаружить частицы темной материи, которые взаимодействуют с атомами жидкого ксенона. Согласно современным представлениям темная материя — это примерно 85% вещества во Вселенной, которое не излучает свет и почти не взаимодействует с обычной материей. Темную материю в процессе эксперимента зафиксировать так и не вышло. Хотя ученым удалось получить самые жесткие на сегодня ограничения на взаимодействие легкой темной материи с электронами.

КОПЕНГАГЕНСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

Чтобы создать менее размытое изображение квантового мира, ученые предлагают углубить диалог между физиками и философами. Это позволило бы лучше понять различные языковые интерпретации и допущения, используемые в квантовых теориях. Напомним, что один из самых распространенных подходов к пониманию квантовой теории — Копенгагенская интерпретация. Она стала итогом объединения взглядов двух основателей этой области — Нильса Бора и Вернера Гейзенберга, которые далеко не всегда соглашались друг с другом. Однако оба они полагали: теория не должна базироваться на том, что невозможно наблюдать, и им лучше сосредоточиться на том, что проверяется экспериментально.

ФИЗИКА И ФИЛОСОФИЯ НУЖНЫ ДРУГ ДРУГУ

Правда, подход Бора и Гейзенберга, как показал обзор Nature, не особо популярен у тех, кого волнуют философские основы квантовой теории. В свою очередь, физики, в отличие от «философов», редко соглашаются с тем, что какие-то «радикальные» теории могут объяснять их наблюдения. Например, такие как теория многомировой интерпретации, которая предполагает существование огромного числа вселенных. Тем не менее в научном сообществе постепенно рождается понимание, что физика и философия необходимы друг другу. Они тесно переплетены, взаимосвязаны, и четкой границы между ними нет. Возможно, что как раз на стыке этих дисциплин образное мышление и интуиция смогут породить выдающиеся научные концепции, выходящие за рамки нынешнего ограниченного консенсуса.

Оригинальное исследование: