Ar viskas yra nulemta iš anksto? Kodėl fizikai gaivina idėją, kuri gali sugriauti visą dabartinį mokslo pasaulį

„Niekada neteko užsiimti tokiu nepopuliariu dalyku!“ juokiasi fizikos teoretikė iš Pažangiųjų studijų instituto Frankfurte, Vokietijoje, Sabine Hossenfelder, bet ji aiškiai jaučia frustraciją.

Jos tyrinėjama idėja susijusi su didžiausia kvantinės teorijos mįsle, konkrečiau, kas nutinka, kai išskydusi, neapibrėžtakvantinė dominija virsta kuo nors apibrėžtu, kažkuo, ką patiriame kaip realybę. Ar šios genezės rezultatai visiškai atsitiktini, kaip teigia teorija?

Albertas Einšteinas neabejojo: Dievas, pasak jo, su visata kauliukais nežaidžia. Hossenfelder linkusi sutikti. Ji su keliais fizikais didina kontroversiją, stengdamasi atgaivinti neatsitiktinumo, „determinizmo“ idėją, kur veiksmas visada turi priežastį. Jie teigia, kad kvantinių mechanizmų keistumą sukelia mūsų ribotas kvantinio pasaulio vaizdas.

Čia statymai aukšti. Vadinamojo superdeterminizmo idėja kvantinei teorijai po šimto metų nuo jos sukūrimo ne tik suteiktų prasmę. Ji galėtų padėti apjungti kvantinę teoriją su reliatyvumu ir sukurti galutinę visatos teoriją. Tačiau sunku būtų teigti, kad Hossenfelder ir jos kolegos susilaukia padrąsinimo šūksnių. Daug teoretikų įsitikinę, kad superdeterminizmas yra pavojingiausia fizikos idėja. Priėmus jos implikacijas rimtai, sugriūtų visas mokslo pastatas, teigia jie.

Tad, koks atsakymas? Ar superdeterminizmas nusipelno savo blogos reputacijos, ar, nesant geresnio sprendimo, turėtume suteikti jai šansą?

Kvantinė teorija aprašo paties materijos pagrindo, atomų ir jų sudedamųjų dalių elgesį. Ji buvo sukurta paaiškinti stebimą atomų elgesį, ir fizikams teko pripažinti, kad dalelės elgiasi kaip bangos ir gali būti kelių skirtingų būsenų vienu metu, tai yra, superpozicijoje – apibrėžtas savybes įgauna tik išmatuotos tiesiogiai.

Erwinas Schrödingeris sukūrė lygtį kvantinio pasaulio neapibrėžtumui nusakyti, rodančią, kad ją galima pateikti matematine esybe, vėliau pavadinta bangos funkcija. Ji pateikia tikimybę, kad pamatuotas kvantinis objektas pasireikš konkrečia būsena ar konkrečioje vietoje. Bet ji negali to parodyti užtikrintai.

Tiesą sakant, teorija ir eksperimentai dera tik išvedus daugybės identiškų kvantinių objektų matavimų rezultatų vidurkį. Tai kelia prielaidą, kad kiekvienas individualus rezultatas yra atsitiktinis, todėl mums žinomu fundamentaliausiu lygiu visata yra nedeterministiška – paklūstanti atsitiktinumui.

Daug kam tai priimti sunku, nes gyvename ir patiriame pasaulį, kuriame pasekmė visada turi priežastį. Šią situaciją bandyta išspręsti tariant, kad vienu metu superpozicijoje esančio atomo savybės yra skirtingų realybių atskirose visatose atspindys. Ar kad atomai tiesiog neturi jokių savybių ir kol nėra stebimi, iš tiesų neegzistuoja.

Jei kvantinis atsitiktinumas yra iliuzija, mums gali pavykti sukurti galingesnius kvantinius kompiuterius

Bet nė viena iš šių interpretacijų Hossenfelder neatrodo logiška. Visose jose yra prieštaravimų, pažymi ji, todėl ir tyrinėja superdeterminizmą.

Kalbant bendrais bruožais, tai yra idėja, kad bet kokio matavimo rezultatas priklauso nuo matavime dalyvaujančių faktorių, tokių, kaip matavimo aparatas ir jo nustatymai. Tai, ką matome, apsprendžia visi šie faktoriai, įskaitant, galbūt, ir faktorius, kurie nuo mūsų slepiasi.

Norint suvokti šią koncepciją, iš pradžių reikia suprasti devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje fiziko Johno S. Bello iškeltą idėją. Bellas pasiūlė būdą patikrinti, ar pagrįsta viena iš Einšteino abejonių kvantine teorija, jo paties pavadintų „baugiu poveikiu per atstumą“, kuomet vienos dalelės matavimas atrodo paveikiantis kitos, erdvėje nutolusios dalelės matavimą.

„Gauta teorija galėtų paveikti visas kvantinės mechanikos pasekmes, bet ne jos keistumą“

Bello schemoje vertinamas statistinis dviejų anksčiau dėl sąveikos „susietų“ dalelių kvantinių savybių matavimų rezultatas. Jis parodė, kad jei šios nelokalios koreliacijos nėra tikros, tada turėtų būti minimali tikimybė, su kuria turėtų būti gaunamas konkretus, tarkime, vienodas abiejų matavimų, rezultatas. Jis gali būti didesnis, ar lygus tai reikšmei, bet negali būti mažesnis. Matematiniais terminais tai vadinama nelygybe. Jei dominantį rezultatą gaunate rečiau, nei tikitės, Bello nelygybė pažeidžiama – ir žinote, kad rezultatus iškreipia nelokali dalelių koreliacija.

Uždrausti pasirinkimai

Eksperimentai parodė, kad Bello nelygybę pažeisti įmanoma. Regis, tai įrodo, kad, nepaisant Einšteino prieštaravimo, baugusis veikimas realus. Bet įrodymas priklauso nuo prielaidų apie matavimą.

O tiksliau, Hossenfelder kvestionuoja prielaidą, kad eksperimentatorius visiškai laisvai gali rinktis bet kurio matavimo „bazę“. Jei, sakysime, yra pirštinių kolekcija, galite pasirinkti jas lyginti, remdamiesi, tarkime, jų dydžiu, kairei ar dešinei rankai jos skirtos, spalva – ar jų kombinacija. O kas, jei tam tikrų matavimų atlikti neįmanoma dėl kokio nors dar nežinomo fizikos dėsnio? Šiuo atveju, bandant išmatuoti, būtų galima gauti keistą rezultatą. O jei apie šį dėsnį nežinote, galėtumėte prieiti prie išvados, kad pirštinių pasaulis fundamentaliai keistas.

Gal gamtos draudimas atlikti kokius nors matavimus ir atrodo kaip pritempta mintis, bet pati kvantinė teorija buvo sukurta tokių pritemptų draudimų pagrindu. Maxo Plancko atradimas buvo, kaip jis pats sakė, „desperacijos aktas“: tarti, kad atominiai dalykai būna tik konkrečiais energijos gabalais, o kai kurios energijos yra draudžiamos. Be to, atradome, kad atominės struktūros, tokios, kaip du elektronai atome negali užimti tos pačios kvantinės būsenos dėl vadinamo Pauli draudimo principo. „Šiuo atveju niekas neklausia „kodėl negaliu šiems elektronams suteikti tokios būsenos, kokios noriu?““, pateikia pavyzdį Hossenfelder. „Tiesiog sakote, kad tai gamtos dėsnis: taip tiesiog yra.“

Superdeterminizmas teigia, kad kvantiniame pasaulyje kai kurie pasirinkimai negalimi

Šią idėją Hossenfelder plėtoja, sukurdama modelį realybės, kurioje kai kurios kvantinių būsenų kombinacijos draudžiamos. Ji tikisi, kad gauta idėja turės visas kvantinės mechanikos pasekmes, bet neturės jokių keistenybių.

Ji nėra pirmoji, pasukusi šia kryptimi. Fizikos Nobelio premijos laureatas Gerard 't Hooft iš Utrechto universiteto Nyderlanduose irgi pasiūlė kai ką panašaus. Prie jų prisijungia ir Tim Palmer, Oxfordo universiteto fizikas. Palmeris yra dirbęs Europos vidutinės trukmės orų prognozavimo centre, ir patirtis tokių chaotiškų sistemų kaip orai, srityje, leido jam suformuluoti chaosu pagrįsto superdeterminizmo idėją, kuri, jo manymu, galėtų paaiškinti kvantinį pasaulį.

Chaoso teorijoje tokios sistemos kaip orai itin jautrios pradinėms sąlygoms. Nedidukai jų pokyčiai vėliau išsivysto į didžiulius sistemos charakteristikų permainas. Tuo pat metu kai kurios chaotiškos sistemos visuomet konverguoja link tam tikrų charakteristikų. Tai galima stebėti matematinėje esybėje, vadinamoje chaoso „atraktoriumi“, nužyminčiu jų judėjimą per visas įmanomas būsenas link šios, beveik neišvengiamos baigties. Tačiau atraktorius turi įdomią, dažnai ignoruojamą savybę. Bet kokioje chaotiškoje sistemoje yra būsenų ir situacijų, kurios tiesiog už jos ribų. Tuščia atraktoriaus erdvė apibrėžia būsenas, kurių pasiekti neįmanoma.

Palmeris nagrinėjo, ką reikštų tokių suvaržymų buvimas visatai. „Tariau, kad visata yra chaotiška sistema, besivystanti pagal savo atraktorių,“ dėsto jis. Tuomet jis įsivaizdavo šioje chaotiškoje visatoje atliekamą Bello eksperimentą. Eksperimentatoriams vis viena reikėtų rinktis matavimų bazę, bet Palmeris mano, kad tam tikros kvantinių būsenų kombinacijos būtų neįmanomos, tad kai kurie eksperimento atlikimo pasirinkimai prieštarautų fizikos dėsniams. „Šie būsenų erdvės plyšiai, vietos, į kurias sistemai neleidžiama eiti, suteikia laisvę išsisukti, pažeisti Bello nelygybę be neapibrėžtumo ar nelokalumo,“ paaiškina Palmeris.

Jis planuoja šias idėjas išbandyti, pradedant nuo eksperimento, susijusio su skaičiumi objektų, kuriuos galima susieti. Standartinėje kvantinėje teorijoje jokių ribų nėra, bet Palmerio schemoje šis skaičius yra baigtinis. „Po tam tikro skaičiaus susietumų, tiesiog įsigalioja klasikinė koreliacija,“ sako jis. Vasarį Palmeris su Jonte Hance ir John Rarity iš Bristolio universiteto, JK, publikavo šią ribą – jeigu ji egzistuoja – turinčių rasti eksperimentų dizainus.

Hossenfelder pasistūmėjo netgi dar toliau. Pagal jos dizainą atliekami pakartotiniai kvantinės sistemos matavimai. „Pagrindinė superdeterminizmo prognozė, kad matavimo rezultatai iš tiesų yra apspręsti, ne atsitiktiniai. Tad, tikriname, ar kvantiniai matavimai išties atsitiktiniai,“ aiškina Hossenfelder.

Jos eksperimentuose visos pradinės sąlygos turėtų būti kuo tikslesnės ankstesnio eksperimento kopijos. Jei visata yra deterministinė, rezultatai turėtų būti daugmaž identiški. Bet jei kvantinė mechanika fundamentaliai tikimybinė, turėtų būti lengvai aptinkamų kiekvieno atliekamo bandymo skirtumų.

Tai sunkiau nei atrodo: reikia užtikrinti, kad atsitiktinumo nesukelia matavimo prietaisas, nes kuo jis mažesnis, ir kuo žemesnėje temperatūroje veikia, tuo geriau. „Be to, matavimus reikia atlikti kuo sparčiau, nes kuo daugiau laiko praeina, tuo labiau tikėtina, kad kažkas sujudės,“ sako Hossenfelder.

Didžiulis sąmokslas?

Gera naujiena yra tai, kad Siddharth Ghosh iš Cambridge'o universiteto turi būtent tokią įrangą, kokios reikia Hossenfelder – jo naudojami nanosensoriai gali aptikti elektringas daleles ir išgauti informaciją apie jų savybių panašumą ar atsitiktinumą. Jis planuoja pradėti rengti eksperimentą artimiausiais mėnesiais.

Visa tai skamba jaudinamai. Tačiau nemažai filosofų ir fizikų tokios perspektyvos purtosi, tvirtindami, kad superdeterminizmą atmetančių eksperimentų nė nereikia rengti. Howard Wiseman iš Griffith universiteto Queenslande, Australijoje, iš esmės šiuos prieštaravimus apibendrina, sakydamas, kad tokia idėja implikuotų esant kažkokį fizikos dėsnių „subtilaus sureguliavimo“ sąmokslą, reiškiantį, kad norint suprasti stebėjimus, pradines sąlygas reikia surašyti ranka ir jas labai tiksliai pasirinkti. Ir tai tik pradžia. Superdeterminizmas taip pat pakirstų pačią laisvos žmogaus valios sampratą ir visą mokslo idėjos prasmę, prideda Wisemanas. „Nesu šios idėjos fanas,“ sako jis.

Šis paskutinis pastebėjimas kyla iš fakto, kad superdeterminizmas pažeidžia tai, ką mokslo filosofai vadina „statistine nepriklausomybe“. Tai idėja, kad eksperimento įvedinių derinimas neturėtų nieko pakeisti išvedinius turinčioje fiksuoti įrangoje. Laisvos valios problema kyla, nes Bello teste eksperimentatorius privalo galėti eksperimentą nustatyti kaip tinkamas. Superdeterminizmas to atlikti neleidžia slaptais apribojimais.

Bet Wisemanas mano, kad šis subtilaus suderinimo argumentas – įtikimiausias. Jis pažymi, kad eksperimentatorių pasirinkimai atliekant Bello eksperimentus, tyčia buvo absurdiški – tarkime, matavimų nuostatos sukurtos, pasirenkant dvinarių skaičių sekas iš suskaitmenintos 1985 metų filmo Back to the Future versijos. Kadangi superdeterminizmas Bello eksperimentus aiškina kvantinių dalelių paslėptais kintamaisiais ir matavimo nuostatomis, tektų daryti išvadą, kad filmo įvykiai ir jo kūrimo pasirinkimai koreliuoja su eksperimentą atliekančių fizikų veiksmais.

„Konkrečiai šią Bello koreliaciją superdeterminizmas aiškina tuo, kad visata, kurioje eksperimento fotonų paslėpti kintamieji yra tokie patys – neįmanoma, bet Michael J. Fox šypsena viename Back to the Future kadre buvo 1 milimetru platesnė,“ sako Wisemanas. „Tai yra kuo keisčiausia subtiliai suderinta teorija, kokią galima įsivaizduoti. Visa tai yra didžiulis sąmokslas: beprotiškai sudėtinga visata su neįmanomai subtiliai suderintomis pradinėmis sąlygomis.“

Palmeris šį argumentą atmeta. „Superdeterminizmas jokiu būdu netvirtina, kad yra kažkoks sąmokslas,“ sako jis. Problema tai, kad žmonės mato subtilų suderinimą, nes taiko netinkamą matematiką. Fizikai daro prielaidą, kad visatos pagrindai vystosi tiesiškai, bet jie lygiai taip pat gali būti ir chaotiški, sako Palmeris. Šiuo atveju turimos tiesinės lygtys netiktų.

Kaip bebūtų, pats Back to the Future pasirinkimas buvo įdomus, nes pasak Cambridge'o universiteto filosofo Huw Price, atgalinis laiko priežastingumas yra vienas iš dalykų, galinčių superdeterminizmą daryti įtikimu. Price'o teigimu, superdeterminizmas veiktų, jei priimtume Einšteino specialiosios reliatyvumo teorijos „blokinės visatos“ perspektyvą, kur praeitis, dabartis ir ateitis kartu egzistuoja didelėje keturmatėje gardelėje, kurią vadiname erdvėlaikiu.

Šioje schemoje laikas neina kokia nors viena kryptimi. Laiko strėlė reliatyvume nėra fundamentali – ar kvantinei teorijai. O tai reiškia, kad detektoriaus nuostatų derinimas dviejų susietų dalelių savybių nustatymui gali paveikti šių dalelių savybes, kurias jos galėjo įgauti tuomet, ką mes pavadintume ankstesniu laiku. „Mūsų pasirinkti nustatymai veikia daleles per visą laiką iki pat pirmojo jų susidarymo įvykio, sukūrusio dvi daleles, momento,“ sako Price'as.

„Mokslas ir laisva žmogaus valia gali būti išgelbėti, jei galima paveikti ankstesnius įvykius“

Jo įsitikinimu, ši perspektyva turi du pranašumus. Pirma, eksperimento rezultatui jai nereikia tiksliai ir subtiliai suderintos visatos. Antra, ji nepaneigia mokslo ir laisvos žmogaus valios. Su nepriklausoma Bazinių tyrimų bendruomene susijusi fizikos filosofė Emily Adlam sako norinti priimti šią idėją. „Kuomet gamtos dėsniai taikomi viskam, per visą istoriją, kyla daug mažiau priežasčių nerimauti.“

Wisemano tai neįtikina. Visa tai tiesiog pernelyg neaišku, sako jis. Žmonės tokį „retropriežastingumą“ kaip kvantinės teorijos problemų sprendimą siūlo jau beveik 100 metų, nurodo jis, bet niekas neįmontavo taip veikiančios idėjos į Einšteino erdvėlaikį.

Ir kokia būtų prasmė? „Nesuprantu siekio paneigti Bello teoremos išvadą,“ sako James Ladyman, filosofas iš Bristolio universiteto, JK. Tokių nelokalių fenomenų, kaip susietumas, pripažinimas nėra pasaulio pabaiga, net jei tai prieštarauja mūsų metafiziniams išankstiniams nusistatymams.

Tačiau superdeterminizmo šalininkai mano, kad tai galėtų smarkiai pasitarnauti. Pradžiai, tai galėtų atverti duris naujoviškoms technologijoms, sako Hossenfelder. Atliekamų matavimų tikslumą riboja iš kvantinio atsitiktinumo kylantis „triukšmas“. Jei šis atsitiktinumas iš tiesų nėra atsitiktinis, o kontroliuojamų procesų rezultatas, gal pavyktų šį kvantinį triukšmą prislopinti. „Manau, kvantiniams skaičiavimams tai būtų svarbu – pagrindinė jiems kylanti problema yra triukšmas,“ pastebi Hossenfelder.

Palmerio manymu, tai galėtų pasitarnauti, stengiantis suvienyti kvantinę teoriją su reliatyvumu ir sukurti kvantinės gravitacijos teoriją. Įprastai stengiamasi modifikuoti reliatyvumą, paliekant ramybėje kvantinius dalykėlius, bet Palmeris mano, kad superdeterminizmas rodo, kad tai gali būti klaida. „Kvantinei pusei teks keistis gerokai daugiau, nei reliatyvumo pusei,“ svarsto jis.

Kol kas sutarimo neregėti, o pažanga lėta, nes superdeterminizmu užsiima vos saujelė žmonių. Kaip bebūtų, jų siūlomas atsakymas į kvantinės teorijos mįsles yra vertas tyrimo, sako Adlam. „Nesakyčiau, kad superdeterminizmas yra mano arkliukas, bet manau, kad jis tikrai pagrįstas ir nusipelno daug daugiau dėmesio, nei sulaukia.“

Michael Brooks
www.newscientist.com