Наши старания описать реальность — не более, чем игра в кости с попыткой предсказать необходимый результат? Джеймс Оуэн Уэзералл, профессор логики и философии науки университета Ирвин, поразмышлял на страницах Nautil.us о загадках квантовой физики, проблеме квантового состояния и о том, насколько оно зависит от наших действий, знаний и субъективного восприятия реальности, и почему, предсказывая разные вероятности, мы все оказываемся правы.
Физикам хорошо известно, как применять квантовую теорию, – ваш телефон и компьютер тому доказательства. Но знание о том, как что-то использовать, далеко от полного понимания мира, описываемого теорией, и даже от того, что означают различные математические инструменты, которые применяют ученые. Одним из таких математических инструментов, о статусе которого физики уже долго спорят, является «квантовое состояние»?Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система. В данном случае под «квантовым состоянием» также следует понимать все потенциальные вероятности выпадения того или иного значения при игре в «кости». — Прим. ред..
Одной из самых поразительных особенностей квантовой теории является то, что ее предсказания вероятностны. Если вы проводите эксперимент в лаборатории и используете квантовую теорию для предсказания результатов различных измерений, в лучшем случае теория может только предсказать вероятность результата: например, 50% за предсказанный результат и 50% за то, что он будет иным. Роль квантового состояния – определить вероятность результатов. Если квантовое состояние известно, вы можете рассчитать вероятность получения любого возможного результата для любого возможного эксперимента.
Представляет ли квантовое состояние объективный аспект реальности или является всего лишь способом характеризовать нас, то есть то, что человек знает о реальности? Этот вопрос активно обсуждался в самом начале изучения квантовой теории и недавно вновь стал актуальным, вдохновив на новые теоретические подсчеты и последовавшие за ними экспериментальные проверки.
«Если изменить лишь только ваши знания, вещи перестанут казаться странными».
Для того чтобы понять, почему квантовое состояние иллюстрирует чьи-то знания, представьте случай, в котором вы вычисляете вероятность. Прежде чем ваш друг бросит игральные кости, вы предполагаете, какой стороной они упадут. Если ваш друг бросает обычную шестигранную кость, вероятность того, что ваше предположение окажется верным, будет равна примерно 17% (одна шестая), что бы вы ни загадали. В этом случае вероятность говорит кое-что о вас, а именно о том, что вы знаете об игральном кубике. Предположим, вы повернулись спиной во время броска, и ваш друг видит результат – пусть это будет шесть, но вам этот результат неизвестен. И пока вы не обернетесь, исход броска остается неопределенным, даже несмотря на то, что вашему другу он известен. Вероятность, представляющая человеческую неуверенность, даже если реальность определена, называется эпистемной, от греческого слова «знание».
Это означает, что вы и ваш друг могли определить разные вероятности, при этом ни один из вас не ошибется. Вы скажете, что вероятность выпадения шестерки на кубике равна 17%, а ваш друг, уже знакомый с результатом, назовет ее равной 100%. Это связано с тем, что вам и другу известны разные вещи, и названные вами вероятности представляют разную степень вашего знания. Единственным неверным предсказанием было бы такое, которое исключает возможность выпадения шестерки вообще.
В течение последних пятнадцати лет физиков волновал вопрос, может ли квантовое состояние оказаться эпистемным таким же образом. Предположим, некоторое состояние материи, например, распределение частиц в пространстве или результат игры в кости, определенно, но вам не известно. Квантовое состояние, согласно такому подходу, является всего лишь способом описания неполноты ваших знаний об устройстве мира. В разных физических ситуациях может быть несколько способов определить квантовое состояние в зависимости от известной информации.
Читайте также: Вселенная из ничего: Краусс и Пустота
Соблазнительно думать о квантовом состоянии таким образом из-за того, что при измерении параметров физической системы оно становится другим. Проведение измерений меняет это состояние из такого, где каждый возможный исход имеет ненулевую вероятность, до того, где возможен лишь один исход. Это похоже на то, что происходит при игре в кости, когда вы узнаете выпавший результат. Может показаться странным, что мир может измениться просто из-за того, что вы проводите измерения. Но если происходит всего лишь изменение ваших знаний, это больше не удивляет.
Еще одной причиной полагать квантовое состоянием эпистемным является то, что с помощью единственного эксперимента невозможно определить, каким было квантовое состояние до его проведения. Это тоже напоминает игру в кости. Предположим, ваш друг предлагает поиграть и утверждает, что вероятность выпадения шестерки равна всего 10%, тогда как вы настаиваете на 17%. Может ли один единственный эксперимент показать, кто из вас прав? Нет. Дело в том, что выпавший результат сопоставим с обеими оценками вероятности. Нет никакой возможности понять, кто из вас двоих прав в каждом конкретном случае. Согласно эпистемному подходу к квантовой теории, причина, по которой невозможно экспериментально определить большинство квантовых состояний, подобна игре в кости: для каждой физической ситуации есть несколько вероятностей, согласуемых с множественностью квантовых состояний.
Роб Спеккенс, физик из института теоретической физики (Ватерлоо, Онтарио), опубликовал в 2007 году научную работу, где представил «игрушечную теорию», разработанную для имитации квантовой теории. Эта теория не совсем аналогична квантовой, так как упрощена до предельно простой системы. Система имеет всего два варианта каждого из ее параметров: например, «красный» и «синий» для цвета и «верх» и «низ» для положения в пространстве. Но, как и в случае квантовой теории, она включала состояния, которые можно использовать для вычисления вероятности. И предсказания, сделанные с ее помощью, совпадают с предсказаниями квантовой теории.
«Игрушечная теория» Спеккенса была волнующей, поскольку, как и в квантовой теории, ее состояния были «не определяемы» — и эта неопределенность полностью объяснялась тем, что эпистемная теория действительно имеет отношение к реальным физическим ситуациям. Другими словами, «игрушечная теория» была подобна квантовой, и ее состояния были однозначно эпистемными. Так как в случает отказа от эпистемного взгляда неопределенность квантовых состояний не имеет чёткого объяснения, Спеккенс и его коллеги посчитали это достаточным основанием для того, чтобы считать квантовые состояния также эпистемным, но в этом случае «игрушечная теория» должна быть распространена на более сложные системы (т.е. на физические системы, объясняемые квантовой теорией). С тех пор она повлекла за собой ряд исследований, в которых одни физики пытались объяснить с ее помощью все квантовые явления, а другие – показать ее ошибочность.
«Эти предположения непротиворечивы, но это не значит, что они верны».
Таким образом, противники теории поднимают руки выше. Например, один широко обсуждаемый результат 2012 года, опубликованный в Nature Physics, показал, что если один физический эксперимент может быть проведен независимо от другого, тогда не может быть никакой неопределенности по поводу «правильного» квантового состояния, описывающего этот эксперимент. Т.о. все квантовые состояния являются «правильными» и «верными», за исключением тех, которые совершенно «нереальны», а именно: «неверными» являются состояния вроде тех, когда вероятность выпадения шестерки равна нулю.
Другое исследование, опубликованное в Physical Review Letters в 2014 Джоанной Баррет и другими, показало, что модель Спеккенса нельзя применить для системы, в которой каждый параметр имеет три или более степени свободы – например, «красный», «синий» и «зеленый» для цвета, а не просто «красный» и «синий» — без нарушений предсказаний квантовой теории. Сторонники эпистемного подхода предлагают эксперименты, которые могли бы показать разницу между предсказаниями квантовой теории и предсказаниями, сделанными любым эпистемным подходом. Таким образом, все проведенные эксперименты в рамках эпистемного подхода могли бы в какой-то степени согласовываться со стандартной квантовой теорией. В связи с этим нельзя интерпретировать все квантовые состояния как эпистемные, так как квантовых состояний больше, а эпистемные теории покрывают только часть квантовой теории, т.к. они дают результаты, отличные от результатов квантовой.
Исключают ли эти результаты идею о том, что квантовое состояние указывает на характеристики нашего разума? И да, и нет. Аргументы против эпистемного подхода являются математическими теоремами, доказанными по особой структуре, применяемой для физических теорий. Разработанная Спеккенсом как способ объяснения эпистемного подхода, эта структура содержит несколько фундаментальны допущений. Одно из них заключается в том, что мир всегда находится в объективном физическом состоянии, не зависимом от наших знаний о нем, которое может совпасть, а может не совпасть с квантовым состоянием. Другое заключается в том, что физические теории делают предсказания, которые могут быть представлены с использованием стандартной теории вероятности. Эти предположения непротиворечивы, но это не означает, что они верны. Результаты показывают, что в такой системе не может быть результатов, эпистемичных в том же смысле, что и «игрушечная теория» Спеккенса, пока она согласует с квантовой теорией.
Можно ли на этом поставить точку, зависит от вашего взгляда на систему. Здесь мнения расходятся.
Например, Оуэе Марони, физик и философ Оксфордского университета и один из авторов статьи, опубликованной в 2014 в Physical Review Letters, в электронном письме сказал, что «наиболее правдоподобные пси-эпистемические модели» (т.е. те, которые можно приспособить к системе Спеккенса) исключаются. Также Мэтт Лейфер, физик университета Шампани, написавший много работ по эпистемичному подходу к квантовом состояниям, сказал, что вопрос был закрыт еще в 2012 — если вы, конечно, согласны принимать независимость исходных состояний (к чему Лейфер и склоняется).
Спеккенс более бдителен. Он соглашается с тем, что эти результаты сильно ограничивают применение эпистемного подхода к квантовым состояниям. Но он подчеркивает, что эти результаты получены внутри его системы, и как создатель системы он указывает на ее ограничения, такие, как допущения по поводу вероятности. Таким образом, эпистемный подход к квантовым состояниям остается уместным, но если это так, то нам необходимо пересмотреть основные допущения физических теорий, которые многие физики принимают без вопросов.
Тем не менее, очевидно, что в фундаментальных вопросах квантовой теории произошел существенный прогресс. Многие физики склонны называть вопрос о значении квантового состояния просто интерпретационным или, хуже того, философским, но лишь до тех пор, пока им не приходится разрабатывать новый ускоритель частиц или совершенствовать лазер. Называя проблему «философской», мы словно выносим ее за переделы математики и экспериментальной физики.
Но работа над эпистемным подходом показывает неправомерность этого. Спеккенс и его коллеги взяли интерпретацию квантовых состояний и превратили ее в точную гипотезу, которая затем наполнилась математическими и экспериментальными результатами. Это не значит, что сам по себе эпистемный подход (без математики и экспериментов) мертв, это значит, что его защитникам нужно выдвигать новые гипотезы. И это бесспорный прогресс – как для ученых, так и для философов.
Об авторе:
Джеймс Оуэн Уэзералл — профессор логики и философии науки университета Ирвин, Калифорния. Его последняя книга «Странная физика пустоты» рассматривает историю изучения структуры пустого пространства в физике с 17 века до наших дней.
Источник: Is Quantum Theory About Reality or What We Know? / Nautil.us.