03.08.2025. - Раскол среди физиков по вопросу о природе реальности

Раскол среди физиков по вопросу о природе реальности

Квантовая механика — одна из самых успешных научных теорий, которая делает возможной большую часть современной жизни. Технологии, начиная от компьютерных чипов и заканчивая аппаратами для медицинской визуализации, основаны на применении уравнений, впервые сформулированных столетие назад, которые описывают поведение объектов в микроскопическом масштабе.

Однако, как показывает исследование Nature, исследователи по-прежнему расходятся во мнениях относительно того, как лучше всего описать физическую реальность, лежащую в основе математики.

На мероприятии, посвященном 100—летию квантовой механики в прошлом месяце, признанные специалисты в области квантовой физики вежливо, но твердо высказались по этому вопросу. “Квантового мира не существует”, - сказал физик Антон Цайлингер из Венского университета, изложив свою точку зрения о том, что квантовые состояния существуют только в его голове и что они описывают информацию, а не реальность. “Я не согласен”, - ответил Ален Аспект, физик из Университета Париж-Сакле, который разделил Нобелевскую премию 2022 года с Цайлингером за работу над квантовыми явлениями.

Чтобы получить представление о том, как более широкое сообщество интерпретирует квантовую физику в год ее столетия, Nature провела крупнейший в истории опрос на эту тему. Мы разослали электронные письма более чем 15 000 исследователям, чьи последние работы касались квантовой механики, а также пригласили участников юбилейной встречи, проходившей на немецком острове Гельголанд, принять участие в опросе.

Ответы, число которых превысило 1100, в основном от физиков, показали, насколько сильно исследователи расходятся в своем понимании наиболее фундаментальных особенностей квантовых экспериментов.

Как и в случае с Аспектом и Цайлингером, респонденты радикально разошлись во мнениях о том, представляет ли волновая функция — математическое описание квантового состояния объекта — нечто реальное (36%), является ли она просто полезным инструментом (47%) или чем-то, что описывает субъективные представления о результатах эксперимента (8%). Это говорит о том, что существует значительная пропасть между исследователями, придерживающимися "реалистических" взглядов, которые проецируют уравнения на реальный мир, и исследователями, придерживающимися "эпистемологических" взглядов, которые утверждают, что квантовая физика имеет дело только с информацией.

Сообщество также разделилось во мнениях относительно того, существует ли граница между квантовым и классическим мирами (45% респондентов ответили "да", 45% - "нет" и 10% затруднились ответить). Некоторые из них были озадачены формулировкой наших вопросов, и более 100 респондентов дали свои собственные интерпретации (опрос, методология и анонимизированная версия полных данных доступны в разделе дополнительной информации внизу этой страницы).

“Я нахожу удивительным, что люди, которые очень хорошо разбираются в квантовой теории, могут быть убеждены в совершенно противоположных взглядах”, - говорит Джемма Де лес Ковес, физик-теоретик из Университета Помпеу Фабра в Барселоне, Испания.

Nature спросила исследователей, что, по их мнению, является наилучшей интерпретацией квантовых явлений и взаимодействий — то есть, что им больше всего нравится из различных попыток ученых связать математику теории с реальным миром. Наибольшее количество респондентов (36%) высказались в пользу копенгагенской интерпретации — практичного подхода, которому часто учат. Однако опрос также показал, что некоторые, более радикальные точки зрения пользуются большим спросом.

На вопрос об их уверенности в своем ответе, только 24% респондентов сочли, что их предпочтительная интерпретация была правильной; другие сочли ее просто адекватной или полезной в некоторых обстоятельствах. Более того, некоторые ученые, которые, казалось, принадлежали к одному лагерю, дали разные ответы на последующие вопросы, что говорит о непоследовательном или несопоставимом понимании выбранной ими интерпретации.

“Это стало для меня большим сюрпризом”, - говорит Ренато Реннер, физик-теоретик из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. Это означает, что многие исследователи квантовой физики просто используют квантовую теорию, не вникая глубоко в ее смысл — подход "заткнись и вычисляй", говорит он, используя фразу, придуманную американским физиком Дэвидом Мермином. Но Реннер, который работает над основами квантовой механики, сразу же подчеркивает, что нет ничего плохого в том, чтобы просто выполнять вычисления. “У нас не было бы квантового компьютера, если бы все были похожи на меня”, - говорит он.

Копенгаген по-прежнему безраздельно властвует

За прошедшее столетие исследователи предложили множество способов интерпретации реальности, лежащей в основе математики квантовой механики, которая, похоже, порождает резкие парадоксы. В квантовой теории поведение объекта характеризуется его волновой функцией: математическим выражением, вычисляемым с использованием уравнения, разработанного немецким физиком Эрвином Шредингером в 1926 году. Волновая функция описывает квантовое состояние и его эволюцию в виде облака вероятностей. Пока частица остается ненаблюдаемой, кажется, что она распространяется подобно волне; взаимодействуя с собой и другими частицами, они находятся в "суперпозиции" состояний, как будто находятся во многих местах или имеют несколько значений атрибута одновременно. Но наблюдение свойств частицы — измерение — переводит это туманное существование в единое состояние с определенными значениями. Это иногда называют "коллапсом" волновой функции.

Это становится еще более странным: приведение двух частиц в состояние совместной суперпозиции может привести к запутанности, что означает, что их квантовые состояния остаются взаимосвязанными, даже когда частицы находятся далеко друг от друга.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг, который в 1925 году помог разработать математику, лежащую в основе квантовой механики, и его наставник, датский физик Нильс Бор, в значительной степени обошли корпускулярно–волновой дуализм, признав, что классические способы понимания мира ограничены и что люди могут знать только то, что им говорят наблюдения. Для Бора было нормально, что объект вел себя то как частица, то как волна, потому что это были концепции, заимствованные из классической физики, которые можно было выявить только по одной за раз, экспериментальным путем. Экспериментатор жил в мире классической физики и был отделен от квантовой системы, которую он измерял.

Гейзенберг и Бор не только придерживались мнения, что невозможно говорить о местоположении объекта до тех пор, пока он не будет обнаружен экспериментально, но и утверждали, что свойства ненаблюдаемой частицы на самом деле принципиально не фиксированы до момента измерения — вместо того, чтобы быть определенными, но неизвестными экспериментаторам. Эта картина, как известно, беспокоила Эйнштейна, который настаивал на том, что существует некая ранее существовавшая реальность, измерить которую - задача науки.

Десятилетия спустя объединение не всегда единых взглядов Гейзенберга и Бора стало известно как копенгагенская интерпретация, по названию университета, в котором дуэт провел свою основополагающую работу. Согласно обзору Nature, эти взгляды остаются самым популярным видением квантовой механики на сегодняшний день. По мнению Часлава Брукнера, квантового физика из Венского университета, убедительные результаты этой интерпретации “отражают ее неизменную полезность в повседневной квантовой практике”. Почти половина физиков-экспериментаторов, принявших участие в опросе, поддержали эту интерпретацию, по сравнению с 33% теоретиков. “Это самое простое, что у нас есть”, - говорит Десио Краузе, философ из Федерального университета Рио-де-Жанейро, Бразилия, изучающий основы физики и принявший участие в опросе. Несмотря на свои недостатки, альтернативы “создают другие проблемы, которые, на мой взгляд, еще хуже”, - говорит он.

Но другие утверждают, что появление Копенгагена в качестве центра по умолчанию обусловлено исторической случайностью, а не его сильными сторонами. Критики говорят, что это позволяет физикам обойти более глубокие вопросы.

Один из них касается "проблемы измерения", спрашивая, как измерение может заставить объекты перейти от существования в квантовых состояниях, описывающих вероятности, к обладанию определенными свойствами классического мира.

Еще одна неясная особенность заключается в том, представляет ли волновая функция что-то реальное (этот ответ выбрали 29% из тех, кто поддержал копенгагенскую интерпретацию) или это просто информация о вероятности нахождения различных значений при измерении (выбрали 63% из этой группы). “Я разочарована, но не удивлена популярностью Копенгагена”, - говорит Элиза Крулл, философ физики из Городского университета Нью-Йорка. “У меня такое чувство, что физики об этом не задумывались”.

Философские основы копенгагенской интерпретации стали настолько стандартизированными, что кажутся вообще лишенными какой-либо интерпретации, добавляет Роберт Спеккенс, изучающий квантовые основы в Институте теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада. По его словам, многие сторонники копенгагенской философии “просто пьют ”Кул-Эйд", не вдаваясь в подробности".

Респонденты, проводившие исследования в области философии или квантовых основ, изучая предположения и принципы, лежащие в основе квантовой физики, с наименьшей вероятностью высказались в пользу копенгагенской интерпретации, и только 20% выбрали ее. “Если я буду каждый день использовать квантовую механику в своей лаборатории, мне не нужно будет ездить дальше Копенгагена”, - говорит Карло Ровелли, физик-теоретик из Университета Экс-Марсель во Франции. Но как только исследователи проводят мысленные эксперименты, позволяющие исследовать более глубоко, “Копенгагена становится недостаточно”, - говорит он.

Что еще есть в меню?

В годы после Второй мировой войны и создания атомной бомбы физики начали использовать квантовую механику, и правительство США вложило деньги в эту область. Философские исследования были отодвинуты на второй план. Копенгагенская интерпретация стала доминировать в основной физике, но, тем не менее, некоторые физики сочли ее неудовлетворительной и предложили альтернативные варианты (см. ‘Квантовая механика: пять интерпретаций’).

Квантовая механика: пять интерпретаций

Вот пять основных подходов к интерпретации квантовой механики и то, как они решают проблему квантовых измерений.

В 1952 году американский физик Дэвид Бом выдвинул идею, впервые высказанную в 1927 году французским физиком Луи де Бройлем, а именно, что странная двойственная природа квантовых объектов имеет смысл, если они представляют собой точечные частицы, траектории которых определяются ‘контрольными’ волнами. Преимущество "бомовской" механики состояло в том, что она объясняла эффекты интерференции, восстанавливая при этом детерминизм, идею о том, что свойства частиц действительно имеют заданные значения до их измерения. Опрос Nature показал, что 7% респондентов считают эту интерпретацию наиболее убедительной.

Затем, в 1957 году, американский физик Хью Эверетт предложил более дикую альтернативу, которую поддержали 15% респондентов. Интерпретация Эверетта, позже получившая название "множество миров", гласит, что волновая функция соответствует чему-то реальному. То есть частица действительно находится, в некотором смысле, в нескольких местах одновременно. Со своей точки зрения в одном мире наблюдатель, измеряющий частицу, увидел бы только один результат, но волновая функция на самом деле никогда не разрушается. Вместо этого она разветвляется на множество вселенных, по одной для каждого отдельного исхода. “Это требует кардинальной корректировки наших интуитивных представлений о мире, но, на мой взгляд, это именно то, чего мы должны ожидать от фундаментальной теории реальности”, - говорит Шон Кэрролл, физик и философ из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, принявший участие в опросе.

В конце 1980-х годов теории "спонтанного коллапса" пытались решить такие проблемы, как проблема квантовых измерений. В их версиях уравнение Шредингера корректируется таким образом, что для коллапса не требуется присутствие наблюдателя или измерения, а волновая функция иногда делает это сама. В некоторых из этих моделей объединение квантовых объектов увеличивает вероятность коллапса, а это означает, что приведение частицы в суперпозицию с помощью измерительного оборудования делает неизбежной потерю объединенного квантового состояния. Около 4% респондентов выбрали подобные теории.

Исследование Nature предполагает, что "эпистемологические" описания, в которых говорится, что квантовая механика раскрывает только знания о мире, а не отражает его физическую реальность, возможно, приобрели большую популярность. Опрос 2016 года1, в котором приняли участие 149 физиков, показал, что только около 7% выбрали интерпретации, связанные с эпистемологией, по сравнению с 17% в нашем опросе (хотя точные категории и методология опросов отличались). Некоторые из этих теорий, основанных на оригинальной копенгагенской интерпретации, появились в начале 2000-х годов, когда такие приложения, как квантовые вычисления и коммуникация, начали формулировать эксперименты с точки зрения информации. Приверженцы, такие как Цайлингер, рассматривают волновую функцию всего лишь как инструмент для прогнозирования результатов измерений, не имеющий никакого отношения к реальному миру.

Эпистемологический подход привлекателен, потому что он наиболее осторожен, говорит Ладина Хаусманн, физик-теоретик из ETH, принявшая участие в опросе. “Это не требует от меня каких-либо предположений, кроме того, как мы используем квантовое состояние на практике”, - говорит она.

Одна эпистемологическая интерпретация, известная как QBism (которую горстка респондентов, выбравших "другое" в качестве предпочтительной интерпретации), доводит это до крайности, утверждая, что наблюдения, сделанные конкретным "агентом", являются исключительно личными и действительными только для них. Аналогичная "реляционная квантовая механика", впервые изложенная Ровелли в 1996 году (и выбранная 4% респондентов), гласит, что квантовые состояния всегда описывают только отношения между системами, а не сами системы.

Источник