Матерія

Питання року від Edge: Який науковий термін чи поняття має бути відомий ширше?

Понятття матерії має бути ширше відомим.

Ви можете здивуватись, чи не помилково я зрозумів питання? Чи, може, я подумав: “Який науковий термін є уже широко відомий?”. Бо ж якщо якесь наукове поняття і є широко відоме, то це концепт матерії, тієї штуки, з якої все зроблено.

Але ні, я не прочитав неправильно питання. Хоча кожна освічена людина чула про поняття “матерія”, мало хто знає наукове визначення цього слова. Те, що ми тут маємо, є прикладом поняття, що спочатку використовувалось в повсякденному житті, аж поки було пояснено з розвитком науки. 

То що ж наука розповідає нам про матерію?

Як ви напевно знаєте, тривають столітні дебати, чи речі в остаточному підсумку складаються з частинок, чи речі є збудженням чи хвилями в певному середовищі континууму. (Власне, філософ Іммануїл Кант вважав цю дискусію настільки марудною, що визнав її нерозв’язною в принципі.) Але багатьом з нас розповідали, що дискусія про хвилі чи частинки була розв’язана квантовою фізикою, яка каже, що матерія має і частинко-, і хвилеподібні аспекти.

Дещо ж дивними речі стали, коли Нільс Бор сказав: “Немає квантової реальності”, і коли Юджин Віґнер сказав: “Нема реальності без спостерігача”. Що, в біса, тут відбувається? Чи ж матерія зникла з фізики? Чи ж справді фізика сказала нам, що не існує незалежної від розуму матерії?

Дякувати Богу, є ще віровідступники у фізиці. В 1960-х такі люди, як Джон Белл, Девід Бом, Г’ю Еверетт сказали: “Ми не купились на історію, розказану Бором, Віґнером та їхніми однодумцями. По суті, ми вважаємо, що розмови про «реальність, створену спостерігачем» збивають з толку і вводять в оману”. Тоді ці фізики продовжували доводити, що є квантова реальність, і що вона існує незалежно від того, чи хтось бачить її.

Але ж якою є ця квантова реальність? Ось тут нам треба розтягнути свою уяву до переломної точки. Тут нам треба дозволити науці розширити наш горизонт значно далі, ніж те, чого можуть навчити нас наші очі та вуха.

В першому наближенні, найнижче реально існують квантові хвильові функції. Але ми мусимо бути обережними, щоб не сплутати твердження математичного існування з твердженням фізичного існування. В першому випадку, квантова хвильова функція є математичним об’єктом – функцією, яка бере числа як вихідні дані і видає числа на виході.

Тому, кажучи точно, нам слід говорити, що квантова хвильова функція репрезентує матерію, а не є матерією. Але яким чином вона це робить? Іншими словами, чим є те, що насправді існує, і які характеристики йому приписують? В цій точці речі стають дещо неясними чи дещо схоластичними. Є багато запитань про те, що мається на увазі, коли кажемо, що хвильові функції існують. Але що толку – бо ж квантова механіка не є фактично істинною.

Ми тепер знаємо, що квантова механіка не є істинною в буквальному сенсі – принаймні, якщо теорія відносності Ейнштейна правдива. В середині 20-го століття фізики побачили, що коли поєднати відносність з квантовою механікою, то хвилеві функції не можуть бути локалізовані – як результат, строго кажучи, нема жодних локалізованих матеріальних об’єктів. Але, сказали вони, натомість є квантові поля – ці туманні квантові сутності, які поширюються по всьому простору.

Але не надто захоплюйтесь квантовими полями, бо вони мають власні проблеми. Вже в 1960-х підозрювали, що квантові поля не є самі собою квантовою реальністю – а радше є певного роду залежний від спостерігача опис реальності, так само як сказане, що “машина рухається з швидкістю 45 миль на годину”, є залежним від спостерігача описом реальності. Фактично, Ганс-Юрген Борхерс довів, що будь-якій окремо взятій ситуації відповідають багато окремих і несумісних описів квантових полів. Схожий результат недавно продемонстрував мічиганський філософ Девід Бейкер. Висновок такий, що квантові поля слід сприймати з зерном скептицизму – вони є людським інструментом, що дає нам лиш одну перспективу на реальність як таку.

Підсумовуючи, частинки – в традиційному сенсі цього слова – не існують. І при цьому реально не існують і квантові хвильові функції. Не існують також і поля: ні в традиційному, ні в квантово-теоретичному сенсі цього слова.

Такі факти можуть виглядати депресивними. Видається, що матерія як така завше ховається за куртиною нашого її опису.

Але не впадайте у відчай. Зауважте, що ж тут відбувається. Опис матерії як частинок був корисним, але не зовсім коректним. Опис матерії як хвильової функції є ще точнішим, але має певні обмеження. Найкраще поточне визначення матерії описується термінами квантових полів, але квантові поля все ж не є річчю як такою

На кожній стадії наше визначення матерії ставало все детальнішим, придатним до ширшого застосування і кориснішим. Чи буде кінець цьому процесу? Чи колись ми досягнемо єдиного істинного опису базових елементів Всесвіту?

Хтозна. Але доки кожне покоління перевершує попереднє, що ж ще можна хотіти?

Ганс Гальворсон, професор філософії Прінстонського університету

Hans Halvorson
Matter
Edge, 2017
Переклала Христина Семанюк