Как учените тълкуват квантовата механика

[mnogoznaiko]

Столетие след създаването си теорията продължава да предизвиква дебати

Квантовата механика е една от най-успешните теории в науката и прави възможен съвременният начин на живот. Технологии от компютърни чипове до медицински устройства разчитат на приложението на уравнения, очертани за първи път преди век, които описват поведението на обекти в микро мащаб.

Въпреки това изследователите все още се различават значително в разбирането си за физическата реалност, която стои зад математиката, както разкрива мащабно проучване на списание "Nature".

На събитие, отбелязващо стогодишнината от квантовата механика миналия месец, уважавани специалисти в квантовата физика спореха учтиво, но твърдо по въпроса. "Няма квантов свят", заяви физикът Антон Цайлингер от Виенския университет, излагайки своето виждане, че квантовите състояния съществуват само в главата му и описват информация, а не реалност. "Не съм съгласен", отговори Ален Аспе, физик от Университета "Париж-Сакле", който сподели Нобеловата награда за 2022 година с Цайлингер за работа върху квантови явления.

За да получи представа как по-широката общност тълкува квантовата физика в нейната стогодишна година, "Nature" провежда най-голямото проучване по темата досега. Списанието е изпратило имейли до повече от 15 000 изследователи, чиито скорошни статии включват квантова механика, и покани участниците в стогодишната среща на германския остров Хелиголанд.

Отговорите - над 1100, главно от физици - показват колко различно изследователите разбират най-основните характеристики на квантовите експерименти. Както Аспе и Цайлингер, респондентите се различават радикално относно това дали вълновата функция - математическото описание на квантовото състояние на обект - представлява нещо реално (36%) или е просто полезен инструмент (47%), или нещо, което описва субективни убеждения за експериментални резултати (8%).

Това предполага значително разделение между изследователи, които имат "реалистични" възгледи, проектиращи уравненията върху реалния свят, и тези с "епистемични" такива, които казват, че квантовата физика се занимава само с информация.

Общността също е разделена относно това дали има граница между квантовия и класическия свят. Четиридесет и пет процента от респондентите казват "да", 45% "не" и 10% не са сигурни. Някои са се възпротивиха на формулировката на въпросите, а повече от 100 респонденти са дали свои собствени тълкувания.

Nature пита изследователите какво смятат за най-добрата интерпретация на квантовите явления и взаимодействия. Най-голямата част от отговорите, 36%, предпочитат копенхагенската интерпретация - практичен и често преподаван подход. Но проучването също показва, че няколко по-смели и неконвенционални теории привличат сериозно внимание от страна на научната общност. Това показва, че дебатът за природата на квантовата реалност далеч не е приключил.

Когато са били попитани за увереността в отговора си, само 24% от респондентите са смятали, че предпочитаната им интерпретация е правилна. Другите са я оценили като просто адекватна или полезен инструмент при някои обстоятелства. Освен това някои учени, които видимо са били от "същия лагер", не са давали еднакви отговори на допълнителни въпроси, което предполага непоследователно или различно разбиране на избраната интерпретация.

"Това беше голяма изненада за мен", казва Ренато Ренер, теоретичен физик от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих. Смисълът е, че много квантови изследователи просто използват квантовата теория, без да се задълбочават в това какво означава - подходът "млъкни и смятай", казва той, използвайки фраза, създадена от американския физик Дейвид Мермин.

През изминалото столетие изследователите са предложили много начини за тълкуване на реалността зад математиката на квантовата механика, която изглежда поражда шокиращи парадокси. В квантовата теория поведението на обект се характеризира от неговата вълнова функция - математическо изражение, изчислено с помощта на уравнение, създадено от германския физик Ервин Шрьодингер през 1926 година.

Вълновата функция описва квантово състояние и как то се развива като облак от вероятности. Докато остане ненаблюдавана, частицата изглежда се разпространява като вълна, взаимодействайки със себе си и други частици, за да бъде в "суперпозиция" от състояния. Това означава, че тя може да съществува на много места едновременно или да има различни стойности на едно и също свойство в същия момент.

Но наблюдението на свойствата на частицата - измерването - шокира това мъгливо съществуване в единично състояние с определени стойности. Това понякога се нарича "колапс" на вълновата функция.

Става още по-странно: поставянето на две частици в състояние на съвместна суперпозиция може да доведе до заплитане, което означава, че техните квантови състояния остават преплетени дори когато частиците са далеч една от друга.

Германският физик Вернер Хайзенберг, който помогна за създаването на математиката зад квантовата механика през 1925 година, и неговият ментор, датският физик Нилс Бор, се справиха с чуждата дуалност вълна-частица, като приеха, че класическите начини за разбиране на света са ограничени и че хората могат да знаят само това, което им казва наблюдението.

За Бор не е било проблем, че обектът понякога се държи като частица, а понякога като вълна. Според него това са просто инструменти за описание, взети от класическата физика, и можем да видим само едното или другото поведение в даден експеримент - никога и двете едновременно. Учените, които правят експериментите, живеят в обикновения (класически) свят и са отделени от странната квантова система, която изучават.

През 1952 година американският физик Дейвид Бом възроди идея, първо предложена през 1927 година от френския физик Луи дьо Бройл, че странната двойствена природа на квантовите обекти има смисъл, ако те са точкови частици с пътища, определени от "пилотни" вълни. Боховата механика е имала предимството да обяснява как частиците създават вълнови образци, като същевременно възстановява идеята, че всичко има предопределени стойности.

През 1957 година американският физик Хю Еверет измисля по-смела алтернатива, която 15% от респондентите в проучването са предпочели. Интерпретацията на Еверет, по-късно наречена "много светове", казва, че вълновата функция съответства на нещо реално. Тоест частицата наистина е, в някакъв смисъл, на множество места едновременно.

Проучването на "Nature" предполага, че теориите, свързани със знанието (епистемичните*), може да са станали по-популярни. Според тях квантовата механика ни казва само какво можем да знаем за света, а не описва действителната физическа реалност. Проучване от 2016 година на 149 физици установява, че само около 7% избират епистемично свързани интерпретации, в сравнение с 17% в новото проучване.

Някои от тези теории, които надграждат оригиналната копенхагенска интерпретация, се появяват в началото на 2000-те години, когато приложения като квантовите изчисления и комуникацията започват да оформят експериментите в термини на информация. Привържениците, като Цайлингер, разглеждат вълновата функция като просто инструмент за предсказване на резултатите от измерванията, без съответствие с реалния свят.

Епистемичният възглед* е привлекателен, защото е най-предпазливият, казва Ладина Хаусман, теоретичен физик от ЕТХ, която отговори на проучването. "Не изисква от мен да приемам нищо отвъд това как използваме квантовото състояние на практика", казва тя.

*Епистемичен възглед - квантовата механика ни казва само какво знаем за света, не какъв е светът действително.

Източник: https://www.nature.com/articles/d41586-025-02342-y