Теория хаоса vs квантовая физика
Основатели квантовой физики, Эйнштейн и Шредингер, скептически относились к ее прямым следствиям, характеризующим неопределенность и природу реальности.
Ортодоксальный взгляд на микромир состоит в том, что неопределенность действительно является неотъемлемой чертой квантовых систем, она не отражает недостатки нашего знания.
Однако оксфордский физик Тим Палмер утверждает: теория хаоса показывает, что на самом деле квантовая неопределенность обусловлена именно нашим собственным незнанием, а не физической реальностью как таковой.
А потому все современные попытки объединить квантовую механику с общей относительностью оказываются тщетными.
Все знают, что долгосрочные прогнозы погоды неопределенны. Из-за надоедливых бабочек. Незамеченные, они машут крыльями, вызывая непредсказуемые штормы спустя несколько недель.
Конечно, это метафора, используемая для описания непредсказуемости хаотических систем: крошечные неопределенности в начальных условиях растут и растут, пока полностью не уничтожат точность любого прогноза.
Но бабочки ли не уверены в состоянии своих крыльев? Или мы, люди, не уверены в них? Философы скажут: эпистемологическая неопределенность, то есть неопределенность связанная с отсутствием знаний.
Согласно ортодоксальному взгляду на квантовую теорию, неопределенность не всегда относится к эпистемологическому типу.
Квантовую механику обычно описывают как теорию атомов и субатомных частиц, хотя на самом деле считается, что это концепт, который лежит в основе всего на свете, включая погоду и галактики - всей реальности.
В этой логике существует внутренняя неопределенность относительно того, что происходит с квантовой системой, когда мы пытаемся ее наблюдать. В момент наблюдения квантовое состояние системы случайным образом разрушается - от суперпозиции возможных состояний до некоторого определенного результата.
В итоге, случайность включена в основные уравнения квантовой физики. Это, в свою очередь, подразумевает, что квантовая неопределенность не является чисто эпистемологической; она «онтологична», ибо реальность изначально не определена.
Получается, что ортодоксальный взгляд опирается на редко подвергаемое сомнению предположение. Теория хаоса дает сильную мотивацию для того, чтобы подвергнуть сомнению классическое предположение.
Отказ от него означает, что неопределенность квантовой механики может быть того же эпистемологического типа, что и неопределенность теории хаоса.
Квантовая неопределенность и теорема Белла
Два основателя квантовой механики считали идею неопределенности реальности смехотворной, и в результате отказались верить, что наука является глашатае истины. По крайней мее, в этом вопросе.
Эрвин Шредингер придумал знаменитый эксперимент с кошкой, чтобы показать: такая интерпретация квантовой механики приводит к бессмысленным результатам - кошка, которая наполовину жива, а наполовину мертва. В отчаянии Альберт Эйнштейн заметил, что Бог, конечно, не играет в кости.
И все же большинство физиков считают, что квантовая механика - это последнее слово в квантовой физике, и что поэтому существует элемент онтологической неопределенности, присущий окружающему нас миру.
Квантовая неопределенность, утверждают эти физики, не имеет ничего общего с эффектом бабочки: неопределенность сама по себе более радикальна.
Так почему же современный консенсус отвергает опасения Эйнштейна и Шредингера?
Наиболее важная причина связана с квантовым явлением, которое Шредингер назвал запутанностью. В частности, две частицы могут быть испущены из источника таким образом, что их свойства - например, угловые моменты (также известные как спины) - коррелируют.
Однако североирландский физик Джон Белл показал, что подобные корреляции, если их правильно объединить, ограничены тем, что сейчас наазывается теоремой Белла.
Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена Алену Аспекту, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру именно потому, что на практике объединенные корреляции могут превышать этот предел. Следовательно, одно или несколько разумных предположений должны быть неверными.
Стандартная интерпретация заключается в том, что квантовая неопределенность является онтологической, а не эпистемологической. То есть неопределенность - это свойство самой реальности, а не отражение границ нашего знания.
В результате физики пустились искать другие способы объяснить теорему Белла.
Альтернативная интерпретация действительно существует, но она слишком странная, чтобы быть правдоподобной. Она предполагает, что настройки прибора, измеряющего спин одной из запутанных частиц, каким-то образом влияют на результат измерения для другой частицы.
Это странное объяснение, потому что оно подразумевает реальность "spooky action at a distance" - идею взаимозависимости двух удаленных частиц.
Эйнштейну не нравилось "жуткое действие на расстоянии", как и большинству физиков. Поэтому стандартные дискуссии о неравенстве Белла заканчиваются однозначным выводом: в своей основе квантовая неопределенность обусловлена не нашей неопределенностью в отношении квантового мира, а тем, как устроена квантовая реальность.
Однако оказывается, что в теореме Белла есть еще одно предположение. Ученые интуитивно не склонны задаваться вопросом, прав ли ирландец или нет. Однако насколько обоснован способ мышления и дискурс физической науки? Насколько точны господствующие контрфактические рассуждения?
Контрфактические миры, квантовая физика и теория хаоса
Предположим, вы бросаете камень, и он попадает в окно и разбивает его. Вы разбили окно? Возможно, кто-то, находясь вне поля вашего зрения, бросил второй камень несколькими мгновениями ранее, и именно этот второй камень разбил окно. Вы бы не сомневались, что окно разбилось по вашей вине, если бы могли утверждать, что в контрфактическом мире, где вы не бросали камень, окно не разбилось.
В этом контрфактическом мире луны Юпитера вращались бы по орбитам так же, как и в реальном мире. Разница лишь в том, что камень не брошен. Хотя в реальности этого не произошло, но такой контрфактический мир, тем не менее, согласуется с законами физики, представленными законами движения Ньютона.
Апелляция к контрфактическим возможностям настолько глубоко укоренилась в научной интуиции, что исследователи постоянно полагаются на нее при определении причинности в реальном мире.
Оказывается, теорема Белла зависит от предположения, что некоторые альтернативные спиновые измерения - те, которые могли бы, по идее, быть выполнены на запутанных частицах, но не были выполнены - разрешены законами квантовой физики.
Иными словами, теорема Белла предполагает, что контрфактические квантовые измерения обязательно согласуются с законами физики.
Предположение, которое физики не любят считать ошибочным. Если контрфактические миры окажутся несовместимыми с законами физики, то наши интуитивные представления о причинности также окажутся неверными.
Теория хаоса дает простой способ осознать ситуацию, когда такие миры действительно не согласуются с законами физики.
И тут снова возникает эффект бабочки. Метеоролог Эд Лоренц еще в начале 1960-х годов обнаружил удивительную вещь: если запустить простую хаотическую систему из любого начального состояния и позволить ей развиваться, то в конечном итоге можно увидеть, как это состояние выстраивается в замечательную фрактальную геометрию.
Фрактальная геометрия - это геометрия, которая имеет «железобетонную» структуру, независимую от самой геометрии. В частности, в ней есть промежутки, которые никогда не исчезают при увеличении масштаба. Что сильно отличается от классической евклидовой практики - от построения поверхности сферы, которая выглядит плоской и скучной, если ее достаточно сильно увеличить.
Эти свойства фракталов используют, чтобы объяснить, почему целый класс контрфактических миров несовместим с законами физики.
В таком случае мы должны мыслить масштабно, очень масштабно. Мы должны предположить, что вся Вселенная и буквально все, что в ней есть, представляет собой хаотическую систему, развивающейся в соответствии с требованиями космической фрактальной геометрии.
В данной картине нет никакой гарантии, что гипотетические контрфактические миры, которые вы просто выдумали в своей голове, будут лежать на плоскости фрактальной геометрии. Если это не так, то они несовместимы с предполагаемыми геометрическими законами физики.
Иначе говоря, контрфактические миры, возникающие при попытке доказать теорему Белла, не подлежат фрактальной геометрии Вселенной.
Это означает, что квантовая неопределенность действительно может быть эпистемологической и, следовательно, реальность определенна и конкретна, как мы обычно считаем.
Что означает несуществование врожденной неопределенности для физики и философии.
Имеет ли это какое-либо значение для реальной физики? Возможно. Святой грааль теоретической физики - объединение квантовой и гравитационной физики.
Читайте также: Восток - дело тонкое. И не только восток...
Ученые пытались синтезировать эти две области науки в течение последних 70 лет или более, но пока безуспешно.
Некоторые считают, что общая теория относительности Эйнштейна нуждается в радикальном пересмотре, прежде чем такое объединение станет возможным.
Однако все выглядит наоборот. Модель квантовой физики, основанная на хаосе, где неопределенность - эпистемологична, имеет гораздо больше шансов объединиться с ОТО, чем та, где она онтологична.
Если фрактальная геометрическая модель верна, то это сигнал конца так называемого "методологического редукционизма" в физике: для более глубокого понимания окружающего мира нам нужно исследовать все более мелкие масштабы.
Именно такая философия - успешная на сегодняшний день - лежит в основе развития коллайдеров частиц.
Но есть маленький шанс того, что данный подход исчерпал себя. Для более глубокого понимания мира нам нужно исследовать не самые маленькие, а самые большие структуры Вселенной в целом.
Ключевым словом будущего может стать холизм. Если законы физики описывают фрактальную геометрию пространства состояний, то эти законы действительно будут глубоко целостными.