Mokslo ir technologijų pasaulis

Kvantinėje fizikoje dalelės egzistuoja daugelyje būsenų vienu metu, kol jas išmatuojate. Ar realybė tikrai gali taip veikti?

Standartinis kvantinės mechanikos aiškinimas daug dėmesio skiria matavimo veiksmui. Prieš matavimą kvantinės sistemos egzistuoja daugelyje būsenų vienu metu. Po matavimo sistema „sugriūna“ į konkrečią reikšmę, todėl natūralu paklausti, kas iš tikrųjų vyksta, kai matavimai nevyksta. Nėra aiškaus atsakymo, o įvairios idėjos gali pakrypti tikrai laukinėmis kryptimis.

Viena iš pirmųjų pamokų, kurias fizikai išmoko pradėję nagrinėti subatomines sistemas XX amžiaus pradžioje, buvo ta, kad mes negyvename deterministinėje visatoje. Kitaip tariant, negalime tiksliai numatyti kiekvieno eksperimento rezultato.

Pavyzdžiui, jei per magnetinį lauką iššauti elektronų srautą, pusė elektronų nukryps viena kryptimi, o kita pusė – priešinga kryptimi. Nors galime sudaryti matematinius aprašymus, negalime pasakyti, kuria kryptimi pasuks kiekvienas elektronas, kol iš tikrųjų neatliksime eksperimento.

Kvantinėje mechanikoje tai žinoma kaip superpozicija. Teigiama, kad atliekant bet kokį eksperimentą, kuris gali duoti daug atsitiktinių rezultatų, prieš atliekant matavimą, sistema vienu metu yra visų galimų būsenų superpozicijoje. Kai atliekame matavimą, sistema „sugriūna“ į vieną būseną, kurią stebime.

Kvantinės mechanikos įrankiai yra tam, kad iš šio chaoso išeitų kokia nors prasmė. Užuot pateikusi tikslias prognozes, kaip sistema vystysis, kvantinė mechanika mums nurodo, kaip vystysis superpozicija (kuri atspindi visus įvairius rezultatus). Kai atliekame matavimą, kvantinė mechanika mums nurodo tikimybę gauti vieną rezultatą prieš kitą.

Štai ir viskas. Standartinė kvantinė mechanika nekalba apie tai, kaip ši superpozicija iš tikrųjų veikia ir kaip matavimas atlieka superpozicijos suskaidymą į vieną rezultatą.

Schrödingerio katė

Jei šią mąstymo liniją priimsime kaip loginę išvadą, matavimas yra svarbiausias veiksmas visatoje. Jis paverčia neaiškias tikimybes konkrečiais rezultatais ir pakeičia egzotišką kvantinę sistemą į patikrinamus rezultatus, kuriuos galime interpretuoti savo pojūčiais.

Bet ką tai reiškia kvantinėms sistemoms, kai mes jų nematuojame? Kaip iš tikrųjų atrodo visata? Ar viskas egzistuoja, bet mes to tiesiog nežinome, ar iš tikrųjų ji neturi apibrėžtos būsenos, kol neįvyksta matavimas?

Ironiška, bet Erwinas Schrödingeris, vienas iš kvantinės teorijos įkūrėjų (jo lygtis mums parodo, kaip superpozicija vystysis laikui bėgant), priešinosi šiai mąstymo linijai. Jis sukūrė savo garsųjį mąstymo eksperimentą „katė dėžje“, dabar žinomą kaip Schrödingerio katė, siekdamas parodyti, kokia juokinga buvo kvantinė mechanika.

Čia yra labai supaprastinta versija: Įdėkite (gyvą) katę į dėžę. Taip pat į dėžę įdėkite kokį nors radioaktyvų elementą, susietą su nuodingų dujų išsiskyrimu. Nesvarbu, kaip tai padarysite; esmė yra į situaciją įtraukti kokį nors kvantinio neapibrėžtumo komponentą. Jei šiek tiek palauksite, tiksliai nesužinosite, ar elementas suiro, todėl nesužinosite, ar buvo išleisti nuodai, taigi, ar katė gyva, ar mirusi.

Griežtai vertinant kvantinę mechaniką, katė šiuo metu nėra nei gyva, nei mirusi; ji egzistuoja tiek gyvų, tiek mirusiųjų kvantinėje superpozicijoje. Tik tada, kai atidarysime dėžę, mes tikrai žinosime, be to, dėžės atidarymas leidžia šiai superpozicijai sugriūti ir katei (staiga) egzistuoti vienoje ar kitoje būsenoje.

Schrödingeris pasinaudojo šiuo argumentu, norėdamas išreikšti savo nuostabą, kad tai gali būti nuosekli visatos teorija. Ar tikrai tikime tuo, kol neatversime dėžės, kad katė iš tikrųjų „neegzistuoja“ – bent jau įprasta prasme, kad daiktai visada tikrai gyvi arba negyvi, o ne abu vienu metu? Schrödingeriui tai buvo per daug painu, ir netrukus po to jis nustojo dirbti su kvantine mechanika.

Dekoherencija

Vienas iš atsakymų į šią keistą padėtį yra pabrėžti, kad makroskopinis pasaulis nepaklūsta kvantinei mechanikai. Juk kvantinė teorija buvo sukurta subatominiam pasauliui paaiškinti. Prieš atliekant eksperimentus, kurie atskleidė, kaip veikia atomai, mums nereikėjo superpozicijos, tikimybių, matavimų ar ko nors kito, susijusio su kvantu. Mes tiesiog turėjome normalią fiziką.

Taigi nėra prasmės taikyti kvantines taisykles ten, kur jos nepriklauso. Kitas kvantinės mechanikos kūrėjas Nielsas Bohras pasiūlė „dekoherencijos“ idėją, kad paaiškintų, kodėl subatominės sistemos paklūsta kvantinei mechanikai, o makroskopinės – ne.

Šiuo požiūriu tai, ką suprantame kaip kvantinę mechaniką, yra teisinga ir visapusiška subatominėms sistemoms. Kitaip tariant, tokie dalykai kaip superpozicija tikrai nutinka mažoms dalelėms. Tačiau kažkas panašaus į katę dėžėje tikrai nėra subatominė sistema; katė sudaryta iš trilijonų atskirų dalelių, kurios visos nuolat juda, susiduria ir stumdosi.

Kiekvieną kartą, kai dvi iš šių dalelių susiduria viena su kita ir sąveikauja, galime naudoti kvantinę mechaniką, kad suprastume, kas vyksta. Tačiau kai į mišinį patenka tūkstantis, milijardas, arba trilijonai po trilijonų dalelių, kvantinė mechanika praranda savo prasmę arba „dekoheruoja“ ir vietoj jos atsiranda įprasta makroskopinė fizika.

Šiuo požiūriu vienas elektronas – bet ne katė – dėžėje gali egzistuoti egzotiškoje superpozicijoje.

Tačiau ši istorija turi apribojimų. Svarbiausia, kad mes neturime žinomo mechanizmo, kaip kvantinę mechaniką paversti makroskopine fizika, ir negalime nurodyti konkretaus masto ar situacijos, kai įvyksta perėjimas. Taigi, nors popieriuje skamba gerai, šis dekoherencijos modelis neturi tvirto pagrindo.

Taigi ar tikrovė egzistuoja, kai mes nežiūrime? Galutinis atsakymas yra tas, kad atrodo, tai yra interpretacijos reikalas.