В квантовата физика частиците съществуват в много състояния едновременно, докато не ги измерите. Може ли реалността наистина да работи по този начин?
Стандартната интерпретация на квантовата механика поставя голям акцент върху акта на измерване. Преди измерването квантовите системи съществуват в много състояния едновременно. След измерването системата се „срива“ в конкретна стойност, така че е естествено да се запитаме какво всъщност се случва, когато не се извършват измервания. Няма ясен отговор и различните идеи могат да се развият в някои наистина диви посоки, пише Live Science.
Един от първите уроци, които физиците са научили, когато са започнали да изследват субатомните системи в началото на ХХ век, бил, че ние не живеем в детерминистична вселена. С други думи, не можем точно да предвидим резултата от всеки експеримент.
Например, ако изстреляте лъч електрони през магнитно поле, половината от електроните ще се извият в една посока, докато другата половина ще се извият в обратната посока. Въпреки че можем да изградим математически описания на това къде отиват електроните, не можем да кажем в каква посока ще поеме всеки електрон, докато действително не извършим експеримента.
В квантовата механика това е известно като суперпозиция. За всеки експеримент, който може да доведе до много произволни резултати, преди да направим измерване, се казва, че системата е в суперпозиция на всички възможни състояния едновременно. Когато правим измерване, системата заема едно състояние, което наблюдаваме.
Инструментите на квантовата механика са там, за да осмислят този хаос. Вместо да дава точни прогнози за това как ще се развие една система, квантовата механика ни казва как ще се развие суперпозицията (която представлява всички различни резултати). Когато правим измерване, квантовата механика ни казва вероятностите да получим един резултат пред друг.
И толкова. Стандартната квантова механика мълчи как всъщност работи тази суперпозиция и как измерването върши работата по свиването на суперпозицията в един резултат.
Котката на Шрьодингер
Ако доведем тази линия на мислене до нейния логичен завършек, тогава измерването е най-важният акт във Вселената. Той трансформира неясни вероятности в конкретни резултати и променя екзотична квантова система в проверими резултати, които можем да интерпретираме със сетивата си.
Но какво означава това за квантовите системи, когато не ги измерваме? Как всъщност изглежда Вселената? Дали всичко съществува, но ние просто не сме наясно с него, или то наистина няма определено състояние, докато не се извърши измерването?
По ирония на съдбата Ервин Шрьодингер, един от основателите на квантовата теория (неговото уравнение ни казва как суперпозицията ще се развие във времето), се противопоставя на тази линия на мислене. Той разработва своя прочут мисловен експеримент за котка в кутия, сега известен като котката на Шрьодингер, за да покаже колко нелепа е квантовата механика.
Ето една силно опростена версия. В кутия се поставя (жива) котка. Също така вътре се поставя и някакъв вид радиоактивен елемент, който е свързан с отделянето на отровен газ. Няма значение как; въпросът е да се въведе някаква съставка на квантова неопределеност в ситуацията. Ако се изчака известно време, няма да се знае със сигурност дали отровата е била освободена и следователно дали котката е жива, или мъртва.
При стриктно четене на квантовата механика котката не е нито жива, нито мъртва на този етап; съществува в квантова суперпозиция на жива и мъртва едновременно. Само когато кутията се отвори, ще стане ясно със сигурност.
Шрьодингер използва този аргумент, за да изрази своето учудване, че това може да бъде последователна теория за Вселената. Наистина ли трябва да вярваме, че докато не отворим кутията, котката наистина не „съществува“ – поне в нормалния смисъл, че нещата винаги определено са живи или мъртви, а не и двете едновременно? За Шрьодингер това било твърде много и той изоставил работата по квантовата механика малко след това.
Декохерентност
Един отговор на това странно състояние на нещата е да се посочи, че макроскопичният свят не се подчинява на квантовата механика. В крайна сметка квантовата теория е разработена, за да обясни субатомния свят. Преди да имаме експерименти, които разкриват как работят атомите, нямахме нужда от суперпозиция, вероятности, измервания или нещо друго, свързано с квантовете. Просто имахме нормална физика.
Така че няма смисъл да се прилагат квантови правила там, където не им е мястото. Нилс Бор, друг основател на квантовата механика, предлага идеята за „декохерентност“, за да обясни защо субатомните системи се подчиняват на квантовата механика, а макроскопичните системи – не.
В този възглед това, което разбираме като квантова механика, е вярно и пълно за субатомните системи. С други думи, неща като суперпозиция наистина се случват за малките частици. Но нещо като котка в кутия определено не е субатомна система; котката е направена от трилиони отделни частици, всичките непрекъснато се движат, сблъскват и отблъскват.
Всеки път, когато две от тези частици се сблъскат една с друга и си взаимодействат, можем да използваме квантовата механика, за да разберем какво се случва. Но щом хиляда, милиард или трилион частици влязат във взаимодействие, квантовата механика губи значението си – или „декохеризира“ – и обикновената макроскопична физика заема нейното място.
В този изглед един електрон – но не и котка – в кутия може да съществува в екзотична суперпозиция.
Тази история обаче има ограничения. Най-важното е, че нямаме известен механизъм за превеждане на квантовата механика в макроскопичната физика и не можем да посочим конкретен мащаб или ситуация, в която се извършва превключването. Затова, въпреки че звучи добре на хартия, този модел на декохерентност няма много подкрепа.
И така, съществува ли реалността, когато не я гледаме? Крайният отговор е, че това, изглежда, е въпрос на интерпретация.
ВИЖТЕ ОЩЕ: Като котката на Шрьодингер: черните дупки могат да бъдат живи и мъртви едновременно
