Оуен Мероні, фізик-теоретик з Оксфордського університету, турбується про те, що фізики витратили майже століття, досліджуючи те, чого насправді не існує. За словами Мероні, відколи на початку 1900-х створили квантову теорію, найкращі голови планети билися над тим, як атоми можуть рухатися в кількох напрямках одночасно чи обертатися водночас за годинниковою стрілкою і проти неї. «Коли ми кажемо, що квантова теорія чудернацька, нам краще піти в лабораторію й продемонструвати, що вона ще й правдива. Інакше ми не займатимемось наукою, а лише пояснюватимемо якісь дивні карлючки на дошці», - каже Мероні.
Саме такий настрій спонукав його та інших дослідників розробити низку експериментів, які проливають світло на природу хвильової функції – таємничої реальності, яка лежить у серцевині квантової дивовижі. У теорії квантова функція – це всього-на-всього математичний об’єкт, який позначають грецькою літерою «псі» (Ψ). З її допомогою пояснюють квантову поведінку частинки. Хвильова функція дозволяє обчислити вірогідність спостереження за електроном у певній точці простору та його рух вверх або вниз. Однак математика не дає відповіді на запитання про природу хвильової функції. Вона – фізична властивість електрона чи просто теоретичний інструментарій, який дає змогу справитися з неповнотою наших знань про реальне буття?
Експерименти, проведені Мероні та його командою, базуються на дуже чутливих обчислюваннях. Остаточних відповідей у вчених ще немає, проте вони оптимісти та вірять, що незабаром відповіді появляться. Чи дійсно частинка перебуває в багатьох місцях в один і той же момент? Чи Всесвіт постійно ділиться на паралельні світи, у кожному з яких існує альтернативна версія нас самих? Чи існує зрештою взагалі щось таке, як об’єктивна реальність?
За словами Алессандро Федріцці, фізика з Університету Квінсленда у Брісбейні (Австралія), «кожен фізик задавася питанням про те, що таке реальність». Дебати про те, що таке реальність, в сучасній фізиці актуалізувалися унаслідок усвідомлення ще в ранній квантовій теорії того, що частинки та хвилі – це два боки однієї медалі. На підтвердження цього можна навести класичний приклад – інтерференційний експеримент Юнга, який доводить, що електрони долають подвійні щілини у такий самий спосіб, що й хвиля світла, утворюючи інтерференційний рисунок на виході. У 1926 р. австрійський фізик Е. Шредінгер, щоб пояснити подвійну – корпускулярно-хвильову – поведінку елементарних частинок, винайшов хвильову функцію, яка дала фізикам можливість статистично розраховувати ймовірність певного стану елементарної частинки у часі й просторі. Проте ані він, ані будь-хто інший не міг сказати щось певне про фізичну природу хвильової функції.
З практичного погляду, щоправда, ця природа не відіграє суттєвого значення. Згідно т. зв. «копенгагенської інтерпретації», яка у 1920-х рр. була розроблена Нільсом Бором та Вернером Гайзенбергом, хвильова функція – це ніщо інше, як інструмент для передбачення результатів спостереження. Яка ж реальність того, за чим спостерігають, фізиків мало хвилює. Як висловився фізик з Католицького університету в Левені (Бельгія) Жан Брікмон, «не варто звинувачувати фізиків за те, що вони кажуть “замовкність і обчислюйте”, адже хвильова функція дала змогу зробити величезні відкриття у різних галузях фізики – від атомної фізики до фізики твердого тіла. Саме тому й кажуть: давайте не перейматися великими питаннями».
Як-не-як, а деякі фізики таки переймаються. У 1930-х «копенгагенську інтерпретацію» відкинув Альберт Ейнштейн. Його у ній не влаштовувало відкриття т. зв. «заплутаний квантових станів», згідно з яким хвильова функція однієї частинки може бути пов’язана з цією функцією іншої, а її вимірювання у однієї автоматично змінює параметри іншої, навіть якщо їх розділяє величезна відстань. Ейнштейн виступив з гіпотезою, що у хвильової функції існують якісь невідомі змінні, які не відомі квантовій теорії.
Отже, наукова спільнота розділилась на два табори. Філософи називають ці табори «псі-епістемними» та «псі-онтологічними». Ті, хто погоджується з Ейнштейном, що хвильова функція репрезентує наше незнання і є лише дослідницьким інструментарієм, який нічого не каже про реальність, належать до першого табору. Тих же, хто вважає, що хвильова функція описує реальний стан елементарної частинки «якою вона є насправді», можна віднести до другого.
Щоб збагнути різницю між двома таборами, слід пригадати знаменитий розумовий експеримент з котом, який Шредінгер описав у листі до Ейнштейна у 1935 р. Уявіть кота, якого закрили в залізній коробці. Уявіть також, що разом з ним туди помістили радіоактивний матеріал, який має 50% вірогідність випромінювання продуктів розпаду протягом години. Матеріал під’єднаний до балону з отруйним газом, який вб’є кота, якщо датчик на ньому ідентифікує радіоактивний розпад. Оскільки радіоактивний розпад – подія, яка має квантову природу, то ймовірність її виникнення описує хвильова функція. Згідно теорії, у закритій коробці (тобто без участі спостерігача), хвильова функція радіоактивного матеріалу є поєднанням двох можливих станів – розпаду та його відсутності. А звідси випливає, що кіт у коробці живий і мертвий одночасно.
«Якщо говорити спрощено, - каже А. Федріцці, - згідно псі-епістемної моделі кіт в коробці або живий, або мертвий, про що ми дізнаємось тільки тоді, коли відкриємо коробку. Однак згідно псі-онтологічної моделі, поки ми не відкриємо коробку і не подивимось, кіт є живий і мертвий одночасно».
Тож яка з цих інтерпретацій правильна? За словами Е. Вайта, фізика з Квінследського університету, вже декілька десятилість ця проблема здіймається як «гладка гора», на яку «неможливо піднятися, адже на ній відсутні будь-які зачіпки».
Невеличкі зачіпки на цій «горі» з’явилися у 2011 р., коли була опублікована теорема про квантові вимромінювання, яка виключала розуміння хвильової функції як «незнання». Це спонукало фізиків усерйоз подумати над тим, як протестувати дві моделі – псі-епістемологічну та псі-онтологічну за допомогою експерименту. О. Мероні, А. Федріцці, Е. Вайт та інші вчені взялися за розробку експерименту.
Щоб проілюструвати ідею в основі цього експерименту, уявімо дві колоди гральних карт. В одній лише червоні карти, а в іншій тільки тузи. Помітивши карту, слід ідентифікувати, з якої вона колоди. Завдання, на перший погляд, здається легким, але коли вам попадає червоний туз, ви не можете ідентифікувати, з якої він колоди. Проте якщо ви знаєте, скільки таким карт в кожній з колод, ви можете ці двозначні ситуації обрахувати статистично.
Подібна двозначність виникає і в квантових системах. Далеко не завжди на основі одного вимірювання можна встановити, як поляризується фотон. Згідно зі стандартною копенгагенською інтерпретацією, немає сенсу питати, що таке поляризація. Проте згідно з моделлю «хвильова функція як незнання» питання цілком слушне, і лише експериментатори (як-от гравець в карти) не мають достатньо інформації з одного експерименту, щоб це встановити. Однак якщо спробувати виміряти, «скільки» саме у нас незнання, порівнявши результати різних вимірювань?
Саме це й протестувала команда Федріцці. Вчені виміряли параменти поляризації та інші особливості променя фотонів, які не вкладались в параметри моделі «незнання». Результати підтримують псі-онтологічну модель: хвильова функція – реальна. «Вражаюче, що команда змогла протестувати таку фундаментальну наукову і філософську проблему за допомогою відносно простого експерименту», - каже Андреа Альберті, фізик з Боннського університету в Німеччині.
Висновок, однак, ще далеко не залізний: детектори упіймали лише 1/5 фотонів, які використовувалися в екперименті, тож комадні довелося припустити, що поведінка решти фотонів була аналогічною. Зараз команда працює над зменшенням розриву, а також над методологією такого самого експерименту з іонами, які детектувати легше, ніж фотони.
Отже, вчені перевіряють, мабуть, найфундаментальнішу з усіх проблем науки і філософії – що таке об’єктивна реальність і чи існує таке поняття взагалі.
Zeeya Merali
Quantum physics: What is really real?
Nature, 20/05/2015
Зреферував Євген Ланюк
21.05.2015