Физики должны наслаждаться разнообразием способов понимания квантовой механики

Исследование природы показывает, что разногласия по поводу значения квантовой физики остаются сильными, даже через 100 лет. И это нормально.

Попросите кучу физиков объяснить квантовый эксперимент, и вы вряд ли получите одно и то же описание дважды. Все согласны с тем, что математическая основа квантовой механики не имеет аналогов в прогнозировании результатов экспериментов, исследующих субатомный мир. Более того, его можно использовать для создания технологий, начиная от компьютерных чипов и заканчивая лазерами и ядерными часами. Но то, что означает теория физически, остается загадкой — и, до сих пор, вопросом в основном субъективной интерпретации.

Некоторые ученые смущены через 100 лет после того, как квантовая теория была впервые сформулирована этой неспособностью договориться об одном повествовании об основной природе реальности, а также о частицах и силах, которые ее формируют. Они не должны быть. Физики должны наслаждаться разнообразием мыслей, которые представляет эта область, и использовать философские разногласия как способ стимулировать дальнейшие открытия.

Квантовая механика позволяет исследователям с предельной точностью соглашаться с ожидаемыми результатами наблюдений. Это странно, учитывая, что эксперименты, похоже, показывают, что квантовый мир сам по себе вероятностный и неопределенный. Объекты кажутся Вести себя как волны, мешая друг другу и себе, пока они не будут измерены, и в этот момент они принимают более определенное поведение, похожее на частицы. Явление запутывания может связать судьбу частиц вместе, даже если они физически разделены на большие расстояния, и этот эффект может быть использован для отправки секретных сигналов. Статистические правила, похоже, регулируют результаты экспериментов.

Разногласия начинаются, когда вы спрашиваете физиков, что именно подразумевается под многими из приведенных выше слов. Язык не только означает радикально разные вещи для разных людей, но есть несколько способов интерпретировать то, что, если что, скрывается за такими явлениями, как случайность и то, что происходит с квантовыми объектами между измерениями.

Степень разногласий усиливается в новостной прессе на этой неделе. Команда новостей Nature провела самый большой в истории опрос, спрашивая квантовых физиков об основах их дисциплины. Ответы показывают, что существует мало или вообще нет единого мнения по вопросам о том, может ли частица действительно существовать в двух местах одновременно, существует ли несколько вселенных или разумно ли думать о математических величинах, лежащих в основе квантовой механики, как о соответствующих чему-то реальному. Основная напряженность среди тех, кто изучает основы квантовой теории, заключается между «реалистами», которые считают, что квантовая физика может и должна описывать визуализируемый отчет о мире, и теми, кто придерживается «эпистемического» взгляда, который интерпретирует теорию как исключительно о знаниях и прогнозировании экспериментальных результатов.

Такое разногласие может затруднить доведение до общественности до сведения квантовой физики и избежать двусмысленности, которая может быть использована педалами псевдонауки. Но эти дискуссии делают эту область еще более увлекательной — и продвигают науку вперед. Исследования того, что физики называют квантовыми основами, не только помогли ученым исследовать границы квантовой механики, но и способствовали развитию таких технологий, как квантовые компьютеры и квантовая криптография. Такая работа может в конечном итоге указать путь к усовершенствованной теории, которая включает в себя гравитацию - единственную фундаментальную силу природы, которую квантовая теория в настоящее время не может объяснить - и пролить свет на другие выдающиеся тайны в физике.

В опросе Nature около 75% исследователей считали, что квантовая теория будет заменена, по крайней мере частично, более полной теорией. Для экспериментаторов, таких как Ален Аспект, физик Парижского университета-Сакле, который выиграл 2022 Нобелевская премия по физике за исследование квантовых явлений, изучение квантовых основ - это способ продвижения этой области. "Размышание об основах позволяет нам, позволяет мне, по крайней мере, разрабатывать образы, и эти образы полезны для моей интуиции", - сказал Аспект в июне на конференции на немецком острове Гелиголанд, где ученые собрались, чтобы отпраздновать 100-летие квантовой механики. Такие дискуссии были на переднем крае конференции.

Физики добиваются прогресса в понимании основ квантовой физики. Мысленные эксперименты, такие как эксперименты Ренато Реннера и Даниэлы Фраухигер, физиков-теоретиков Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе, Швейцария, установили ограничения на то, что различные интерпретации могут одновременно предположить, что это правда (D. Фраушигер и Р. Renner Nature Commun. 9, 3711; 2018). А эксперименты с темной материей с использованием эксперимента XENONnT исключили некоторые из предложенных интерпретаций, которые потребовали бы изменения уравнения Шрёдингера, которое управляет эволюцией квантовых состояний во времени. Но как лучше всего создать менее нечеткое изображение квантового мира? Одним из способов было бы углубление диалога между физиками и философами, предлагает Алисса Ней, философ физики из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана в Германии. Это улучшило бы понимание различных языков и предположений квантовых интерпретаций.

Один из наиболее распространенных подходов к пониманию квантовой теории, известный как Копенгагенская интерпретация, начался в слиянии взглядов двух основателей этой области, Нильса Бора и Вернера Гейзенберг, который не всегда соглашался. Их подход, который предполагает, что дело с тем, что не может наблюдаться, не является задачей теории, хорошо работает для экспериментаторов. Но опрос Nature показывает, что он находит меньше благосклонности у тех, кто изучает философские основы квантовой теории. И немногие физики учат, что другие теории - даже, казалось бы, радикальные, такие как интерпретация многих миров, которая предполагает существование огромного количества вселенных - также могут объяснить наблюдения. "Когда вы изучаете квантовую физику, каким-то образом вы никогда не сталкиваетесь даже с мыслью о том, что существуют разные интерпретации", - говорит Реннер.

Любопытство к изучению и изучению других интерпретаций может помочь ученым продвинуть физику вперед. Физика и философия сейчас менее взаимосвязаны, чем когда-либо, но они нужны друг другу. Преподаватели физики бакалавриата должны принимать философские вопросы, а не только практические. Следует поощрять грубые, хотя и приветливые, дискуссии о значении слов и физических концепций, таких как те, которые процветали на конференции в Гельголанде.

Спустя столетие квантовые физики все еще могут не согласиться. Но любопытство к тому, что все это на самом деле означает, обеспечит достижения, выходящие за рамки консенсуса.