Физики категорически не согласны с тем, что квантовая механика говорит о реальности, показывает исследование Nature

Первая крупная попытка составить карту взглядов исследователей находит интерпретацию в противоречии.

Квантовая механика является одной из самых успешных теорий в науке — и делает возможной большую часть современной жизни. Технологии, начиная от компьютерных чипов и заканчивая медицинскими машинами, основаны на применении уравнений, впервые набросанных столетие назад, которые описывают поведение объектов в микроскопическом масштабе.

Но исследователи до сих пор широко не согласны с тем, как лучше всего описать физическую реальность, которая стоит за математикой, как показывает исследование Nature.

В прошлом месяце на мероприятии, посвященном 100-летию квантовой механики, признанные специалисты в области квантовой физики вежливо, но твердо, спорили по этому вопросу. "Квантового мира не существует", - сказал физик Антон Зейлингер, В Венском университете, изложив его мнение 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-Саклей, который разделил Нобелевскую премию 2022 года с Зейлингером за работу над квантовыми явлениями.

Чтобы получить снимок того, как более широкое сообщество интерпретирует квантовую физику в свой столетний год, Nature провела крупнейшее в истории исследование на эту тему. Мы отправили электронное письмо более чем 15 000 исследователям, чьи недавние статьи были связаны с квантовой механикой, а также пригласили участников столетия встречи, состоявшейся на немецком острове Гельголанд, принять участие в опросе.

Ответы, насчитывающие более 1100, в основном от физиков, показали, насколько сильно исследователи различаются в своем понимании наиболее фундаментальных особенностей квантовых экспериментов.

Как и Aspect и Zeilinger, респонденты радикально расходились в том, представляет ли волновая функция — математическое описание квантового состояния объекта — что-то реальное (36%) или просто полезный инструмент (47%) или что-то, что описывает субъективные убеждения об экспериментальных результатах (8%). Это говорит о том, что существует значительный разрыв между исследователями, придерживающихся «реалистических» взглядов, которые проецируют уравнения на реальный мир, и теми, у кого есть «эпистемические» взгляды, которые говорят, что квантовая физика связана только с информацией.

Сообщество также разделилось по поводу того, существует ли граница между квантовым и классическим мирами (45% респондентов сказали "да", 45% - нет" и 10% не были уверены). Некоторые возражали против настройки наших вопросов, и более 100 респондентов дали свои собственные интерпретации (опрос, методология и анонимная версия полных данных доступны в дополнительной информации в нижнем нижии этой страницы).

"Я нахожу примечательным, что люди, которые 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.

Природа спросила исследователей, что, по их мнению, является лучшей интерпретацией квантовых явлений и взаимодействий, то есть их любимая из различных попыток, которые ученые предприняли, чтобы связать математику теории с реальным миром. Наибольшая часть ответов, 36%, выступала за интерпретацию Копенгагена — практический и часто преподаваемый подход. Но опрос также показал, что несколько более радикальных точек зрения имеют здоровых последователей.

Отвечая на вопрос об их уверенности в своем ответе, только 24% респондентов считали, что их предпочтительная интерпретация была правильной; другие считали ее просто адекватной или полезной в некоторых случаях. Более того, некоторые ученые, которые, казалось, были в том же лагере, не давали тех же ответов на последующие вопросы, предполагая непоследовательное или разрозненное понимание выбранной ими интерпретации.

"Это было для меня большим сюрпризом", - говорит Ренато Реннер, физик-теоретик из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. Подразумевается, что многие квантовые исследователи просто используют квантовую теорию, не вдавая глубокого отношения к тому, что она означает - подход «заткнись и посчитай», говорит он, используя фразу, придуманную американским физиком Дэвидом Мермином. Но Реннер, который работает над основами квантовой механики, быстро подчеркивает, что нет ничего плохого в том, чтобы просто выполнять расчеты. "У нас не было бы квантового компьютера, если бы все были похожи на меня", - говорит он.

Копенгаген по-прежнему царит

За последнее столетие исследователи предложили множество способов интерпретации реальности, стоящей за математикой квантовой механики, которая, кажется, выбрасывает раздражающие парадоксы. В квантовой теории поведение объекта характеризуется его волновой функцией: математическим выражением, рассчитанным с использованием уравнения, разработанного немецким физиком Эрвином Шрёдингером в 1926 году. Волновая функция описывает квантовое состояние и то, как оно развивается в виде облака вероятностей. Пока она остается ненаблюдаемой, частица, кажется, распространяется, как волна; мешая себе и другим частицам быть в «суперпозиции» состояний, как будто во многих местах или имея сразу несколько значений атрибута. Но наблюдение за свойствами частицы — измерение — шокирует это туманное существование в единое состояние с определенными значениями. Это иногда называют «сворачиванием» волновой функции.

Становится страннее: размещение двух частиц в состоянии совместной суперпозиции может привести к запутанности, что означает, что их квантовые состояния остаются переплетенными, даже когда частицы находятся далеко друг от друга.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг, который Помог создать математику, лежащую в основе квантовой механики, в 1925 году, и его наставник, датский физик Нильс Бор, обошел двойственность инопланетной волны и частиц в значительной степени, приняв, что классические способы понимания мира ограничены, и что люди могут знать только то, что им говорит наблюдение. Для Бора было нормально, что объект варьировался между действием как частица и как волна, потому что это были концепции, заимствованные из классической физики, которые могли быть раскрыты только по одному за раз, с помощью эксперимента. Экспериментатор жил в мире классической физики и был отделен от квантовой системы, которую они измеряли.

Гейзенберг и Бор не только приходили к мнению, что невозможно говорить о местоположении объекта до тех пор, пока он не был замечен экспериментом, но и утверждали, что свойства ненаблюдаемой частицы действительно были принципиально нефиксированы до измерения, а не были определены, но не известны экспериментаторам. Эта картина, как известно, беспокоила Эйнштейна, который настаивал на том, что существует ранее существовавшая реальность, что работа науки заключалась в измерении.

Десятилетия спустя слияние не всегда объединенных взглядов Гейзенберга и Бора стало известно как интерпретация Копенгагена после университета, в котором дуэт сделал свою основополагающую работу. Эти взгляды остаются самым популярным видением квантовой механики на сегодняшний день, согласно опросу Nature. Для Часлава Брукнера, квантового физика из Венского университета, сильная демонстрация этой интерпретации «отражает ее постоянную полезность в руководстве повседневной квантовой практикой». Почти половина физиков-экспериментов, ответивших на опрос, поддержали эту интерпретацию, по сравнению с 33% теоретиков. "Это самое простое, что у нас есть", - говорит Десио Краузе, философ Федерального университета Рио-де-Жанейро, Бразилия, который изучает основы физики и ответил на опрос. Несмотря на свои проблемы, альтернативы «представляют другие проблемы, которые, на мой взгляд, хуже», - говорит он.

Но другие утверждают, что появление Копенгагена в качестве дефолта происходит из-за исторической случайности, а не из-за его сильных сторон. Критики говорят, что это позволяет физикам обойти более глубокие вопросы.

Один касается «проблемы измерения», спрашивая, как измерение может инициировать объекты, чтобы переключиться от существующих в квантовых состояниях, которые описывают вероятности, к имеющим определенные свойства классического Мир.

Еще одна неясная особенность заключается в том, представляет ли волновая функция что-то реальное (ответ, выбранный 29% из тех, кто предпочитал интерпретацию Копенгагена), или просто информацию о вероятностях нахождения различных значений при измерении (выбранную 63% этой группы). "Я разочарована, но не удивлена популярностью Копенгагена", - говорит Элиза Кралл, философ физики из Городского университета Нью-Йорка. «Я чувствую, что физики не размышляли».

Философские основы Копенгагенской интерпретации стали настолько нормализованными, что вообще не кажутся интерпретацией, добавляет Роберт Спеккенс, который изучает квантовые основы в Институте теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада. По его словам, многие сторонники «просто пьют Kool-Aid Копенгагенской философии, не изучая ее».

Респонденты опроса, которые провели исследования в области философии или квантовых основ, изучая предположения и принципы квантовой физики, с наименьшей вероятностью отдавали предпочтение интерпретации Копенгагена, и только 20% выбрали ее. "Если я использую квантовую механику в своей лаборатории каждый день, мне не нужно проходить мимо Копенгагена", - говорит Карло Ровелли, физик-теоретик из Университета Экс-Марсель во Франции. Но как только исследователи применяют мыслительные эксперименты, которые исследуют более глубоко, «Копенгагена недостаточно», говорит он.

Что еще есть в меню?

В годы после Второй мировой войны и разработки атомной бомбы физики начали использовать квантовую механику, и правительство США вложило деньги в поле. Философское исследование было отложено на второй план. Копенгагенская интерпретация стала доминировать в основной физике, но, тем не менее, некоторые физики сочли ее неудовлетворительной и придумали альтернативы.

Квантовая механика: пять интерпретаций

Вот пять широких подходов к интерпретации квантовой механики - и то, как они решают проблему квантового измерения.

В квантовой теории ненаблюдаемая система может быть описана как находяся в суперпозиции нескольких возможных состояний одновременно, например, в разных местах. Его квантовое состояние задается волновой функцией, которая развивается в соответствии с уравнением Шрёдингера плавным, предсказуемым способом. Но при взаимодействии с измерительным оборудованием система приобретает четко определенное состояние, неизвестное заранее. Его волновая функция «сворачивается», как говорят некоторые. Как это понять?

Мыслевный эксперимент «кот Шредингера» демонстрирует загадку. Здесь, высвобождается ли яд — потенциально убивая кошку в коробке — зависит от излучения, случайного квантового события. Пока коробка не будет открыта, кошку можно описать как суперпозиционную живую и мертвую; при взгляде внутрь коробки она находится только в одном из двух состояний.

В 1952 году американский физик Дэвид Бом вновь всплыл идею, впервые продектатую в 1927 году французским физиком Луи де Бройля, а именно, что странная двойная природа квантовых объектов имеет смысл, если они являются точечными частицами с путями, определенными «пилотными» волнами. Механика «Бома» имела преимущество в объяснении интерференционных эффектов при восстановлении детерминизма, идеи о том, что свойства частиц имеют установленные значения перед измерением. Опрос Nature показал, что 7% респондентов считают эту интерпретацию наиболее убедительной.

Затем, в 1957 году, американский физик Хью Эверетт придумал более дикую альтернативу, которую предпочли 15% респондентов. Интерпретация Эверетта, позже названная «много миров», гласит, что волновая функция соответствует чему-то реальному. То есть, частица действительно находится, в некотором смысле, в нескольких местах одновременно. С их точки зрения в одном мире наблюдатель, измеряюший частицу, увидит только один результат, но волновая функция на самом деле никогда не разрушается. Вместо этого он разветвляется на множество вселенных, по одной для каждого отдельного результата. "Это требует кардинальной корректировки нашей интуиции о мире, но для меня 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, который ответил на опрос.

В конце 1980-х годов теории «спонтанного коллапса» пытались решить такие проблемы, как проблема квантового измерения. Эти версии настраивают уравнение Шрёдингера, так что вместо того, чтобы требовать коллапса наблюдателя или измерения, волновая функция иногда делает это сама по себе. В некоторых из этих моделей объединение квантовых объектов усиливает вероятность коллапса, что означает, что приведение частицы в суперпозиционную позицию с помощью измерительного оборудования делает потерю комбинированного квантового состояния неизбежной. Около 4% респондентов выбрали такие теории.

Исследование природы предполагает, что «эпистемические» описания, в которых говорится, что квантовая механика раскрывает только знания о мире, а не представляют его физическую реальность, могли бы стать популярными. Опрос 2016 года Физики обнаружили, что только около 7% выбрали интерпретации, связанные с эпистемикой, по сравнению с 17% в нашем опросе (хотя точные категории и методология опросов отличались). Некоторые из этих теорий, основанные на оригинальной интерпретации Копенгагена, появились в начале 2000-х годов, когда такие приложения, как квантовые вычисления и связь, начали формулировать эксперименты с точки зрения информации. Привязатели, такие как Zeilinger, рассматривают волновую функцию просто как инструмент для прогнозирования результатов измерений, не соответствуя реальному миру.

Эпистемическая точка зрения привлекательна, потому что она наиболее осторожна, говорит Ладина Хаусманн, физик-теоретик ETH, которая ответила на опрос. "Это не требует от меня предполагать что-либо, кроме того, как мы используем квантовое состояние на практике", - говорит она.

Одна эпистемическая интерпретация, известная как QBism (которую несколько респондентов, выбравших «другой», записали в качестве предпочтительной интерпретации), доводит это до крайности, заявляя, что наблюдения, сделанные конкретным «агентом», являются полностью личными и действительными только для них. Аналогичная «реляционная квантовая механика», впервые описанная Ровелли в 1996 году (и выбранная 4% респондентов), говорит о том, что квантовые состояния всегда описывают только отношения между системами, а не сами системы.