Главная Астрономия Квантовая волновая функция не описывает физическую реальность, полагают космологи

Космологи в поисках универсального закона Вселенной

Доминирующая интерпретация квантовой волновой функции рассматривает ее как реальную - как часть физического “тела” Вселенной. Некоторые физики заходят настолько далеко, что утверждают, будто вся Вселенная - это сплошная квантовая волновая функция.

Что такое квантовая волновая функция?

Но подобная интерпретация наталкивается на ряд проблем, включая столкновение с теорией относительности Эйнштейна. Лауреат премии Карла Поппера Эдди Кеминг Чен, стремясь избежать логических конфузов, предлагает интерпретировать волновую функцию как основу для базового закона природы, который описывает, как частицы, поля и обычные объекты перемещаются в пространстве и времени. Таким образом, по его мнению, разрешается ряд загадок, связанных с квантовой механикой.

Эдди Кеминг Чен

Легко любить квантовую механику - фундаментальные правила, которые описывают наш физический мир, начиная с микроскопического уровня, - но трудно понять, о чем она на самом деле.

Квантовая механика, безусловно, полезна как алгоритм для предсказания результатов экспериментов. Она дала начало многим технологическим инновациям - от магнитно-резонансных томографов до полупроводников.

Однако когда дело доходит до вопроса о том, что квантовая механика говорит о природе физической реальности, все очень быстро усложняется. Действительно ли квантовая  теория раскрывает фундаментальный уровень Вселенной?

С первых дней квантовой механики физики и философы спорят о природе “новой реальности”. Хотя существует множество различных интерпретаций, большинство из них сходятся в том, что для ее раскрытия необходимо разобраться с волновой функцией - центральным математическим объектом в теоретических построениях.

Так что же такое волновая функция? Мы придумали красивую математическую основу, но нам очень трудно прочертить физическую интерпретацию “стандартной” абстракции. Одна из доминирующих точек зрения заключается в том, что волновая функция представляет собой “реальность” в отличие от “повседневного” восприятия мира.

Доминирующий взгляд на волновую функцию

А если занять “компромиссную” позицию? Да, волновая функция – это часть физической реальности и вместе с тем – это и основа более широкого, пока еще неизвестного закона природы.

На первый взгляд, волновая функция относится к квантовой механике так же, как частицы к классической механике, а электромагнитные поля к классической электродинамике. Она имеет все признаки чего-то реального, незаменимого, и предположительно должна быть такой же частью конституции физической реальности, как и обычные объекты, например, столы или стулья.

Сторонники этой точки зрения - Шон Кэрролл, Дэвид Альберт и Алисса Ней. Впрочем, по сравнению с частицами и электромагнитными полями, волновая функция - это весьма абстрактный математический объект, который живет в высокоразмерном пространстве и прописывается мнимыми числами. Далеко не ясно, как волновая функция связана с нашим обычным миром повседневной реальности.

Можно ли считать квантовую волновую функцию объектом физической реальности?

Задача интерпретации квантовой механики станет проще, откажись мы от ортодоксального мнения, что квантовая вселенная должна быть описана как “чистое состояние”, в технических терминах. Мы должны пересмотреть реалистические интерпретации волновой функции.

Вместо того, чтобы барахтаться в фундаменте материи, мы должны думать о ней как об основе для простого закона природы, который определяет движение всех физических объектов в пространстве и времени.

Чтобы мотивировать новую картину, позвольте суммировать некоторые проблемы, с которыми сталкиваются реалистические интерпретации волновой функции.

  • Во-первых, если мы серьезно относимся к пространству, нам, возможно, придется признать реальную область, где разворачиваются физические события, - пространство чрезвычайно высокой размерности, порядка 10 в степени 80.

Хотя мы можем верить, что наша вселенная содержит 20+ измерений, постулируемых некоторыми версиями теории струн, гораздо невероятнее принять идею о том, что на самом деле реальное число измерений 10 в степени 80. Трудно представить, как из нее появляются обычные четырехмерные объекты, люди и деревья к примеру.

  • Во-вторых, если предположить, что волновая функция - это физический объект, живущий в четырехмерном пространстве-времени, мы скатываемся к удивительному виду холизма. Предположим, у нас есть группа частиц в пространстве-времени. Волновая функция наделит группу свойствами, которые не могут быть получены из свойств отдельных частиц. Целое, так сказать, больше, чем его части. Квантовая запутанность, что вы хотите.

Наконец, реалистическая интерпретация волновой функции, похоже, находится в противоречии с теорией относительности Эйнштейна - столпом современной физики.

Если не существует объективного и уникального способа разрезать пространство на пространство и время, то признание квантовой запутанности в качестве фундаментальной особенности физического мира затрудняет описание полной истории Вселенной.

Как утверждает Дэвид Альберт, история квантовой вселенной при одном способе нарезки не может быть соотнесена с историей при другой нарезке, за счет измения системы отсчета. Требуются иные законы природы.

Следовательно, у нас уже есть мотивы для поиска альтернативы реалистическим интерпретациям волновой функции как физического объекта. Согласно более раннему предложению (Детлеф Дюрр, Шелдон Гольдштейн, Штефан Тейфель, Нино Занги), волновая функция Вселенной - это не физический объект, а физический закон, подобный второму закону движения Ньютона.

Волновая функция определяет движение физических объектов - как на квантовом уровне, так и на повседневном - частиц, полей, столов и стульев. Также не исключено, что есть более легкий и простой способ реализовать эту идею.

Квантовая волновая функция как основа для закона природы

Гипотетическая волновая функция Вселенной довольно сложна. Поскольку она несет так много информации, ее трудно специфицировать. Из-за своей сложности она не похожа на закон природы, который, как мы ожидаем, будет относительно простым, наподобие выражения для закона всемирного тяготения и второго закона Ньютона.

Сделаем шаг назад и рассмотрим проблему в другом масштабе. Представим волновую функцию в виде отдельного пикселя на экране, выделенным красным цветом. Если у нас есть мощный микроскоп, мы видим каждую точку на экране, включая красную. Для определения ее местоположения требуется много информации.

Теперь, если мы отрегулируем увеличение и немного уменьшим масштаб, мы перестанем видеть отдельные пиксели. На нужном уровне увеличения перед нами раскрывается узор, который проще описать. Предположение в том, что такого узора достаточно в качестве закона, описывающего движение обычных физических объектов. К тому же мы получаем матрицу плотности.

Если мы слишком сильно увеличим масштаб, есть опасность отбросить слишком много информации и, следовательно, упустить закономерность.

Так какой же уровень увеличения следует использовать? Ответ на этот вопрос связан с другой удивительной особенностью нашего мира - стрелой времени. Даже если динамические законы не делают различия между прошлым и будущим, наш обычный опыт полон процессов, которые говорят об обратно.

Вспомните таяние льда, распространение дыма и гниение фруктов. Вселенная выглядит более упорядоченной в прошлом и менее упорядоченной в будущем. Это наблюдение обобщено во Втором законе термодинамики, согласно которому изолированные системы имеют тенденцию к увеличению энтропии - меры беспорядка.

Как возможна стрела времени? Стандартный ответ заключается в добавлении фундаментальной Гипотезы прошлого, согласно которой Вселенная началась в особом состоянии очень низкой энтропии, во время Большого взрыва или около него.

Такое состояние может быть охарактеризовано с помощью макроскопических переменных. Гипотеза прошлого устанавливает идеальный баланс и отбирает именно то количество информации, которое нам необходимо для определения простого и в то же время эмпирически адекватного закона.

Полученная из нее картина описывается удивительно простым объектом. Он несет гораздо меньше информации, чем гипотетическая волновая функция. Он достаточно прост, чтобы быть кандидатом в законы природы, и достаточно информативен, чтобы определять движение обычных объектов.

В результате нам не нужно овеществлять волновую функцию ни как физический объект, ни как физический закон.

Отсюда возникают два следствия.

  • Во-первых, концептуальные вопросы о стреле времени тесно связаны с интерпретациями квантовой механики.
  • Во-вторых, появляется альтернатива реалистическим интерпретациям волновой функции.

В литературе по философии науки Дэвид Альберт и Барри Лоуэр назвали свою теорию "Ментакулус".Заменим букву "M" на "В" и таким обраом обозначим теоретическую альтернативу.

Картину мира, которая предлагает “Вентакулус”, легче принять, чем реалистические интерпретации волновой функции. Квантовая вселенная включает в себя обычные объекты, состоящие из частиц, полей и/или других локализованных сущностей.

Она больше не занимает центральное место в этой теории как физический объект или физический закон. Вместо нее мы постулируем гораздо более грубый и простой объект, который естественным образом вытекает из соображений о Гипотезе прошлого. Он представляет собой закон природы, определяющий движение обычных объектов.

Преимущества взгляда “Вентакулус” на квантовую механику

Вентакулус уменьшает виды случайности в мире. Согласно ортодоксальному взгляду, результаты квантовых экспериментов случайны, и случайность предсказывается волновой функцией.

 

Однако сама волновая функция также выбирается случайным образом из множества различных гипотетических волновых функций, и такая случайность является дополнительным постулатом теории. В нашем случае второй постулат случайности устраняется; существует только одно физически возможное квантовое состояние, и оно совсем не случайно.

Более того, “Вентакулус” объединяет Вселенную с ее подсистемами. Согласно ортодоксальной точке зрения, Вселенная описывается волновой функцией, но большинство подсистем не могут быть описаны волновыми функциями из-за квантовой запутанности. С предлагаемой точки зрения , вся Вселенная - включая все ее части, описывается одними и теми же математическими уравнениями.

Более того, “вентакуловская” версия многомировой квантовой механики Эверетта является первым реалистичным и простым примером сильного детерминизма, идеи (введенной Роджером Пенроузом) о том, что законы природы допускают только одну возможную модель физической реальности.

В ортодоксальной версии теории Эверетта волновая функция порождает множество различных и параллельных ветвей, каждая из которых имеет свою историю. Все они реальны и включены в гигантскую мультивселенную, гораздо большую версию того, что мы обычно считаем физической реальностью.

Однако, согласно теории Эверетта, могут существовать различные волновые функции и, следовательно, различные мультивселенные. Реальная мультивселенная может быть любой из них.

Другими словами, физическая реальность не ограничена законами природы, поскольку они допускают различные модели мультивселенной.

В версии “Вентакулуса”, напротив, законы природы полностью определяют мультивселенную, поэтому существует только один способ бытия физической реальности. Иначе говоря, реальная мультивселенная невозможна под страхом нарушения физических законов.

Квантовую механику трудно интерпретировать. Мы можем добиться прогресса, если перестанем быть реалистами в отношении квантовой волновой функции и уменьшим масштаб.