Квантова теорія не тільки має практичний аспект, а й відкриває дивовижну природу реальності

Квантова механіка — це наукова галузь, що пояснює внутрішню роботу широкого спектра явищ, від ядерних вибухів до смартфонів. Однак її висновки простягаються набагато далі, адже вона дає уявлення про реальність, яка перебуває за межами нашого повсякденного досвіду. Саме питання про існування прихованої від нас реальності й повернуло до життя ідею про те, що все у світі єдине.

Джон Арчибальд Вілер був одним із найвидатніших фізиків двадцятого століття. Він зіграв ключову роль у розробці ядерної та водневої бомб, прожив плідне життя, виховавши багатьох відомих фізиків, включно з Річардом Фейнманом, Кіпом Торном і Г’ю Евереттом. Саме він придумав назви, що запам’ятовуються, для незвичайних фізичних явищ, такі як «чорні діри», «червоточини», «масштаб Планка», «кротова нора» і «квантова піна», і це лише деякі з них.

Вілер любив ставити глибокі запитання про природу реальності. Намальована Вілером діаграма у вигляді літери «U» представляє ідею про еволюцію Всесвіту й роль свідомих спостерігачів у його виникненні. Зрозуміти цю концепцію можна, використовуючи аналогію з банкою коли, яка може здаватися круглою або прямокутною залежно від перспективи. Спостерігач відповідає за «створення» кола або прямокутника, нічого не роблячи із самою банкою, а просто обираючи певний ракурс. Аналогічно історія космосу являє собою нашу інтерпретацію фундаментальної квантової реальності. Але якщо те, що ми спостерігаємо, є лише перспективою, то яка справжня природа реальності? Фізики шукають її з 1920-х років.

До розвитку квантової механіки призвела тривала суперечка про природу світла й матерії. Експерименти на початку XX століття показали, що фотони й електрони мають властивості як частинок, так і хвиль, що призвело до відкриття квантів енергії. Це викликало дискусії про те, що є більш фундаментальним — частинки чи хвилі, або ж вони є проєкціями глибшої реальності. Ці питання турбують фізиків і сьогодні, і на них вплинули робота, взаємодія і суперечки чотирьох видатних учених: Альберта Ейнштейна, Нільса Бора, Ервіна Шредінгера й Вернера Гейзенберга.

Айнштайн, геній-одинак, відомий своєю теорією відносності та ідеєю про те, що світло може складатися з квантів. Попри свій внесок у квантову теорію, йому не подобалася її імовірнісна природа, і він не приймав концепцію двоїстої природи світла. Бор, на відміну від Ейнштейна, був командним гравцем і наставником багатьох молодих учених. Він створив корисну модель атома, яка принесла йому Нобелівську премію 1922 року. Шредінгер був винятковим ученим із бурхливим особистим життям. Він розробив хвильове рівняння, що описує поведінку квантових частинок. Гейзенберг був наймолодшим із чотирьох відомих фізиків і заслужив репутацію вундеркінда на той час, коли йому виповнилося двадцять три в 1925 році. Він розробив новий підхід до розуміння енергетичних рівнів атомів, що ґрунтувався на кредо позитивізму. Згідно з позитивізмом, наукові теорії мають ґрунтуватися винятково на спостережуваних явищах, і вчені мають дотримуватися того, що вони спостерігають і вимірюють, не розмірковуючи про неспостережувану реальність. Позитивізм справив значний вплив на копенгагенську інтерпретацію квантової механіки, що домінувала впродовж тривалого часу, яку прийняли Гейзенберг і Бор та яку можна описати фразою «Заткнись і обчислюй!». Однак позитивістський підхід перешкоджав спробам осягнути фундаментальну реальність поза межами обчислень та їхнього практичного застосування.

Внесок Вілера, Айнштайна, Бора, Шредінгера й Гейзенберга у квантову механіку продовжує формувати наше розуміння квантового світу сьогодні. У його основі лежить принцип корпускулярно-хвильового дуалізму, згідно з яким усі частинки можуть проявляти як хвильову, так і часткоподібну поведінку. Принцип невизначеності, розроблений Гейзенбергом, також є фундаментальним принципом квантової механіки. Цей принцип свідчить, що чим точніше ми знаємо положення частинки, тим менш точно ми можемо знати її імпульс, і навпаки. Цей принцип передбачає, що ми ніколи не зможемо передбачити поведінку частинки з абсолютною точністю. Квантова механіка оперує ймовірностями.

Квантова механіка також містить концепцію заплутаності, яка виникає, коли дві частинки стають корельованими так, що стан однієї частинки миттєво визначає стан іншої, незалежно від відстані між ними. Ця концепція має глибокі наслідки для квантових обчислень і криптографії.

Попри успіхи квантової механіки в описі поведінки частинок на квантовому рівні, ця теорія залишає багато загадок і запитань без відповідей.

До них належать природа хвильової функції, інтерпретація квантових імовірностей і можливість створення об’єднавчої теорії, що поєднує квантову механіку із загальною теорією відносності (вони суперечать одна одній, хоча обидві експериментально підтверджено).

В уявному експерименті Джона Вілера банка коли може сприйматися по-різному залежно від точки зору. Є ще одна аналогія, що ілюструє наш досвід сприйняття реальності, — перегляд фільму. Історія, яку ми бачимо на екрані, насправді незаписана на плівку, її створює глядацьке сприйняття проєктованих кадрів. Так само те, що ми сприймаємо як історію космосу, створюється нашим обмеженим поглядом на фундаментальну квантову реальність. Ця «голлівудська інтерпретація» космічної історії описує, як працює квантова механіка, і порушує важливе питання про те, що таке реальність. Ортодоксальна копенгагенська інтерпретація обстоює ідею про те, що сюжет фільму відображає реальність, тоді як «табір проєкторів» стверджує, що реальність представлена проєктором і плівкою, і ця точка зору стає дедалі популярнішою. Вона сягає корінням алегорії печери давньогрецького філософа Платона. У «Республіці» Платон описує печеру, у якій прикуті ланцюгами в’язні бачать лише тіні предметів, вірячи, що тіні — це реальні речі. Один в’язень тікає і бачить справжню природу речей, але коли він повертається до своїх товаришів і розповідає їм про зовнішній світ, вони йому не вірять — занадто сильно вони прив’язані до своєї обмеженої перспективи.

Більшість дивацтв квантової механіки пов’язані з тим, що частинки описуються в термінах хвиль, і неоднозначністю, яка із цього витікає та проявляється не тільки в неможливості точно визначити розташування об’єкта, а й в інших властивостях. Масштабність цієї проблеми стала очевидною, коли 1935 року Шредінгер проілюстрував наслідки, які випадкові мікроскопічні процеси можуть мати для нашого повсякденного світу, уявним експериментом «Кіт Шредінгера». У повсякденному житті предмети мають певне місце розташування, а кішки або мертві, або живі. Під час спостереження потенційні можливості, представлені квантовою хвилею, «згортаються» в єдину, унікальну реальність. Цей удаваний «колапс» хвильової функції можна порівняти з проєкцією реальності на стіну печери в алегорії Платона. На думку автора, ортодоксальна копенгагенська інтерпретація застрягла в перспективі платонічних в’язнів або в перспективі кіноглядачів, які не знають, що відбувається всередині проєктора.

Джон Вілер розглядав ідею про те, що все у Всесвіті походить з інформації, включно із частинками, полями й навіть простором-часом. Його U-діаграма порушує питання про те, якою є фундаментальна структура Всесвіту, яка зберігає цю інформацію. Вілер не дав чіткої відповіді, але натякнув на ідею великого синтезу — про те, що все у Всесвіті пов’язано воєдино. Квантова механіка йде ще далі — у ній так звані заплутані системи настільки зливаються, що вже неможливо що-небудь сказати про властивості їхніх складових частин. Окремі об’єкти та всі їхні властивості стають результатом перспективи спостерігача. Матерія, час і простір не існують, вони виявляються подібними до історії, що розгортається на екрані перед глядачами.

Квантова теорія пояснює, як усе розмаїття об’єктів і явищ може бути проявом однієї сутності

Якщо приховане квантове царство, що лежить за межами нашого повсякденного досвіду, є втіленням Єдиного на фундаментальному рівні, то як це може бути перевірено? Пес вказує, що є механізм — квантова заплутаність, яка перетворює реальність на всеосяжну єдність.

У квантовій механіці є три ключові поняття: суперпозиція, додатковість (комплементарність) і заплутаність. Саме ці поняття відрізняють її від класичної фізики, оскільки вони чужі нашому повсякденному досвіду. Заплутаність означає миттєву зміну характеристик однієї частинки при зміні іншої, і це явище лежить в основі сучасних розробок, пов’язаних із передачею квантової інформації. Заплутаність належить до об’єктів, що складаються з двох або більше компонентів, й описує те, що відбувається, коли квантовий принцип «все, що може статися, відбувається насправді» застосовують до таких складових об’єктів. Заплутаний стан являє собою суперпозицію всіх можливих комбінацій, у яких можуть перебувати ці компоненти, щоб отримати один і той самий загальний результат. Концепція суперпозиції у квантовій механіці передбачає, що дві альтернативні квантові реальності можуть співіснувати одночасно. Автор використовує приклад рівної поверхні океану, яку можна отримати через накладення двох ідентичних хвильових патернів, зміщених на половину циклу коливань, унаслідок чого гребені хвиль одного патерну компенсують западини хвиль іншого. У квантовому світі твердження про наявність двох кішок, однієї мертвої та однієї живої, означало б, що дві кішки об’єднані в суперпозицію станів, включно з тим, що вони обидві живі та мертві одночасно, або одна частково жива, а інша частково мертва. У квантовому світі індивідуальні умови й долі об’єктів розчиняються, не існує окремих об’єктів, усі вони стають частиною «Єдиного цілого».

Айнштайн критично ставився до копенгагенської інтерпретації квантової механіки, бо вона була імовірнісною і не мала певної засадничої реальності, а також тому, що вона була нелокальною та порушувала принцип причинності. Айнштайн разом із колегами Борисом Подольським і Натаном Розеном у 1935 році написав статтю, у якій кинув виклик копенгагенській інтерпретації. Їхні доводи стали відомі як парадокс Айнштайна-Подольського-Розена (АПР). У своїй статті вони стверджували, що спостереження за одним компонентом складної системи визначить стан іншого компонента, який передаватиметься з нескінченною швидкістю, що перевищує швидкість світла, і порушить Спеціальну теорію відносності Айнштайна. Цей ефект Айнштайн назвав «силами вуду» й «моторошною дією на відстані». Але найсерйознішим предметом стурбованості Ейнштейна була відсутність у копенгагенській інтерпретації квантової теорії основоположної реальності. Пізніше ці ідеї розвинув фізик Девід Бом. Згідно з поглядом цих учених, квантова механіка є неповною, вона випускає з уваги щось важливе. Однак Бора не збентежила критика Ейнштейна, і він відповів серією робіт, які спростували аргументи Ейнштейна, але водночас призвели до більш туманного й абсурдного тлумачення квантової механіки.