Където са странни нещата !

Posted: December 6, 2014 in New Scientist

Плодовитата пустота на квантовия свят ни предоставя менажерия от възхитителни идеи. Нека посетим квантовият зоокът.

Столетието изглежда е крайно недостатъчно като срок. Преди около 100 години, първата световна конференция по физика се провежда в Брюксел, Белгия. Темата на дискусията е какво да се прави със странната нова квантова теория и дали е възможна изобщо спойката с нашето всекидневие и шанса да ни се предостави едно кохерентно обяснение за света.

Това е въпрос, с който физиците продължават да се борят и днес. Квантовите частици като атоми и молекули имат обезпокоителното свойство да се появяват на две места едновременно, да се въртят по посока на часовника и обратно в едно и също време или да си влияят незабавно, когато са на една Вселена разстояние. Въпросът е, че и ние сме изградени от атоми и молекули, но не можем да правим нищо от това. Защо?В коя точно точка квантовата механика спира да действа?,” пита Харви Браун, научен философ от Университета в Оксфорд.

“Въпреки, че отговор все още се търси, то откриването на такъв, би било и негова заслуга.”

Търсенето даде началото на цяло ново поле квантова информация, която привлече вниманието на високо-технологичната индустрия и разузнавателните служби. Това ни предоставя нов ъгъл на атака към проблема за намиране на универсална  физична теория и може дори да ни каже, откъде идва Вселената. Не съвсем лошо за преследване, което квантовият циник – самият Алберт Айнщайн отхвърли като “мека възглавничка“, която приспива добрите физици.

За нещастие на Айнщайн, квантовата теория се оказа шедьовър.  Нито един експеримент не влиза в разрез с предсказанията и, и освен това можем да сме уверени, че е добър начин да се опише как Вселената работи в малък мащаб. Което ни оставя с един-единствен проблем: Какво значи? Физиците се опитват да отговорят на това с “интерпретации” – философски спекулации, твърде услужливи спрямо експериментите свързани с това, какво лежи под квантовата теория. “Има цял зоопарк от интерпретации,” според Влатко Ведрал, който дели времето си между Университета в Оксфорд и Центъра по квантови технологии в Сингапур.

Няма друга научна теория разглеждана по толкова много начини. А защо? И ще надделее ли някой от тях над другите?

Да вземем за пример това, което е известно като “интерпретацията от Копенхаген“, въведена от датският физик Нилс Бор. Тя казва в общи линии, че всеки опит да се говори за положение на електрона в атом примерно е безмислен, без да се прави измерване на което. Само когато си въздействаме с електрона в опита си да го наблюдаваме с неквантово, или “класическо” устройство, той приема някакъв атрибут, който можем да наречем физично свойство и по този начин той да стане част от реалността.

След това имаме интерпретацията “множество светове“, където квантовата странност се обяснява с факта, че всичко има множествено съществуване в безброй паралелни Вселени.

Или  можете да предпочетете интерпретацията на Бройл-Бом, при която квантовата теория се счита за непълна: липсват ни някои скрити свойства, които ако знаехме, биха вдъхнали смисъл на всичко.

Има още доста, като например интерпретацията Жирард-Римини-Вебер, транзакционната интерпретация (при която има частици пътуващи назад във времето), интерпретацията на Роджър Пенроуз за гравитационно индуцираният колапс, модалната интерпретация…в последните 100 години квантовият зоопарк стана препълнено и шумно място. В цялото блъскане и суетене разбира се има само няколко интерпретации, които имат значение за повечето физици.

Прекрасният Копенхаген

Най-популярна от всички е интерпретацията на Нилс Бор от Копенхаген. Популярността и е до голяма степен породена от факта, че повечето физици като цяло нямат и не искат да имат неприятности с философията. Въпросите относно това, какво точно съдържа измерването или защо то може да индуцира промяна в тъкан от реалността, могат да бъдат игнорирани в полза на чисто и просто – получаване на удобен отговор от квантовата теория. Това е така, защото неоспорването на интерпретацията от Копенхаген е понякога известна и като: интерпретацията “млъкни и смятай”. Предвид на това, повечето физици просто искат да си направят калкулациите и да приложат резултатите си, като голяма част от тях са точно в групата “млъкни и смятай“, казва Ведрал.

Този подход има обаче доста недостатъци. Първо, той не ни учи на нищо относно фундаменталната природа на реалността. Това изисква охота да погледнем зад позициите, където квантовата теория може по-скоро да се провали, вместо да гледаме само към местата, където тя успява (New Scientist, 26 June 2010, p 34). “Ако ще има някаква нова теория, не мисля че тя ще дойде от полето на физиката на твърдото състояние, където по-голямата част от физиците работят,” казва Ведрал.

Второ, да работим в място на самозаблуда също така значи, че нови приложения на квантовата физика, по-скоро не биха се появили. Множеството перспективи, които можем да приложим върху квантовата механика могат да бъдат катализатор на нови идеи. “Ако решаваш различни проблеми би било полезно да си в състояние да мислиш за различните интерпретации,” казва Ведрал.

И това никъде не е толкова убедително както в полето на квантовата информация. Според Антон Зайлингер, от Университета във Виена: “Това поле дори не би съществувало, ако хората не бяха се заинтересували относно основите на квантовата физика.” В сърцето на това поле е феномена на заплитането, при който цялата информация относно свойствата на комплект от квантови частици се съвместява помежду им. Резултата е това, което Айнщайн нарече: “призрачно действие от разстояние“, измерването на свойствата на едната частица моментално ще въздейства и измени свойствата на нейният “заплетен” партньор, без значение на каква дистанция се намират една от друга.

Когато е за първи път забелязано в уравненията на квантовата теория, “заплитането” изглежда толкова странна идея, че ирландският физик Джон Бел създава мисловен експеримент, за да покаже, че това не е възможно да се прояви като свойство в реалния свят. Когато стана възможно да се направи експеримент, то той доказа, че Бел греши и физиците успяха да разберат доста от тънкостите на квантовото измерване. Това успя да създаде и основите на квантовият компютинг, при който единично измерване може да даде отговор на хиляди, вероятно дори милиони калкулации направени в паралел от квантовите частици, и на квантовата криптография, която защитава информацията посредством използване природата на квантовото измерване. И двете технологии естествено привличат вниманието на правителства и индустрията, които държат да притежават най-добрите технологии и донякъде да попречват попадането им в погрешните ръце.

Физиците естествено са по-заинтересовани от това, какво ни казват тези феномени относно природата на реалността. Едно от приложенията на експериментите с квантовата информация е, че информацията която се съдържа в квантовите частици лежи в основите на реалността. Последователи на интерпретацията от Копенхаген като Зайлингер виждат квантовите системи като носители на информация и измерването с използването на класически средства като нищо специално: “Това е просто начин да се регистрира промяна в информационното съдържание на системата, измерването обновява информацията.”

Този нов фокус на информацията като фундаментален компонент на реалността води някои към предложението, че Вселената сама по себе си е един голям квантов компютър.

И независимо от всички стъпки направени като резултат от интерпретацията Копенхаген, има много физици, които биха искали да видят отстъплението от нея. Това като цяло е защото, тя изисква нещо като изкуствено разграничение между каквито и да е мънички квантови системи и класическата апаратура или наблюдателя, който извършва измерването върху тях. Ведрал тук за пример изучава ролята на квантовата механика в биологията: “множество процеси и механизми в клетката са квантови по природа, като например фотосинтезата и регистриращите облъчване с различни вълни системи в растенията (New Scientist, 27 November, p 42), откриваме, че все по-голяма част от света може да бъде описан по квантово-механичен път – не мисля, че има някаква твърда разграничителна линия между квантовото и класическото,” казва той. Имайки предвид природата на нещата в космически мащаб, осигурява критиците на “Копенхаген” с допълнителни амуниции. Ако процеса на измерване от класически наблюдател е фундаментален за създаването на реалността, която наблюдаваме,  то какво е изпълнило наблюдението, което внася съдържанието на Вселената в  съществуванието? “Реално се нуждаете от наблюдател извън системата, за да придобие смисъл идеята, но по дефиниция няма нищо извън Вселената,” казва Браун. Поради тази причина, продължава той, космолозите сега симпатизират малко повече на интерпретацията създадена през късната 1950-та от Хю Евърет, физик от Принстън. Неговата интерпретация за квантовата механика, наречена “много светове” казва, че реалността не е свързана към концепцията за измерването. Вместо това, имаме безброй различни възможности свойствени на квантовата система, като всяка от тях принадлежи на собствена Вселена. Тук, Дейвид Дойч, физик от Оксфорд и човека чертаещ схемите на първият квантов компютър, казва че може да мисли за операциите на този компютър само по отношение на множество Вселени. За него другите интерпретации не са смислени.

Но е факт и че, и тази интерпретация си има доста критики. Тим Модлин, научен философ от Университета Рътгърс, Ню Джърси приветства опитът да се отнеме статусът на измерването като специален процес. В същото време не е убеден, че множеството светове осигуряват добра рамка по отношение възприемането на това, защо квантовите изходи са по-вероятни от други.  Когато квантовата теория предсказва, че един от изходите на измерването е 10 пъти по-вероятен от друг, поредицата от експерименти винаги го потвърждава. Според Модлин, множеството светове казват, че всички възможни изходи ще се случат, имайки на предвид множествеността на световете, но не обяснява защо наблюдателят вижда най-вероятният изход, тоест: “Имаме много сериозен проблем налице.”

Дойч респондира на това, че тези проблеми са били изгладени през миналата година – “Начинът по който Евърет се справяше с вероятностните изходи не беше удачен, но през годините теоретиците на тази интерпретация изсмукаха всичко, което можаха от това и този проблем беше решен.” Така или иначе аргумента на Дойч е неясен и стремежът му е да убеди всеки в правотата си. Но по-трудно да отговори е на въпроса, какво е това, което поддръжниците на теорията наричат “скептично явно неодобрение“. Очевидното приложение на множеството светове, е че има много ваши копия например и за пример това, че Елвис още пее във Вегас  в друга Вселена. Малко хора могат да преглътнат тази идея. Според Браун  постоянството е единственото решение тук. “Налице е широко разпространена съпротива по отношение на възприемането на множествеността на себе си и другите, но мисля че е просто въпрос на приемане.” Дойч е съгласен, че това ще се случи, когато технологията започне да използва странните страни на квантовите светове. Имаме ли веднъж квантови компютри, които извършат операции бидейки в много състояние по едно и също време, то ние няма да сме в състояние да мислим за тези светове като за нещо различно от физически реални. “Ще бъде много  трудно да се поддържа идеята, че това е просто начинът на говорене за тези неща.”
Той, заедно с Браун твърдят, че идеята за множеството светове вече получава тласъци сред космолозите. Аргументи от струнната теория, космологията и приложната астрономия, водят до това, че някои космолози вече подкрепят идеята, че ние живеем в една от множество Вселени. Миналата година Антони Агуири от Университета на Калифорния, Санта Круз, Макс Тегмарк от MIT и Дейвид Лейзър от Харвард изложиха схема, която свързва заедно идеи от космологията и множеството светове (New Scientist, 28 August 2010, p 6).

Но интерпретацията “множество светове” не е единствената, която космолозите поддържат. През 2008 г., Антъни Валентини от Кралският Колеж в Лондон изказва мнение, че космическата микровълнова фонова радиация (CMB), която запълва Космоса точно след Големият Взрив, вероятно е в поддръжка на интерпретацията Де Бройл-Бом.

В този сценарий, квантовите частици притежават все още някакви неоткрити свойства отразяващи скрити променливи. Идеята зад тази интерпретация е, че взимайки тези скрити променливи под внимание би обяснило странното поведение на квантовия свят, което оставя отпечатък върху детайлната карта на CMB. Валентини казва, че скритите променливи може би биха осигурили по-подходящо сравнение със структурата на наблюдаваните CMB, отколкото стандартната квантова механика е в състояние.
И въпреки че е добра идея, нямаме засега някакво убедително доказателство, което можем да използваме. И което е по-важно, ако нещо неочаквано се случи по отношение на CMB, то няма да бъде в подкрепа на хипотезата на Валентини, заключва Ведрал – всяка от интерпретациите може да твърди, че състоянията на ранната Вселена, водят до неочаквани резултати.
Ние сме заседнали в ситуация, в която вероятно никога няма да можем да решим експериментално между Евърет и Де Бройл-Бом,” признава Браун. Но, това не е причина за песимизъм, добавя той. “Мисля че е налице значителен прогрес. Много хора казваха, че не можем да сторим нищо, поради липсата на съществен конкретизиращ експеримент, но факт е, че някои интерпретации са по-добри от други.
За сега Браун, Дойч и Зайлингер отказват да отстъпят от любимите си възгледи за квантовата механика. Зайлингер е щастлив и за това, че дебатът относно това какво точно значи квантовата теория, не показва признаци на приключване. Ведрал се съгласява с това, и независимо, че той се поставя сам себе си в клуба “множество светове“, то коя интерпретация ще избереш е по-скоро въпрос на вкус според него. “В повечето случаи не можеш да се разграничиш или определиш експериментално, така че просто трябва да следваш инстинктите си.” Идеята, че физиците се щурат около квантовият зоокът, търсейки подходящо създание според капризите си може и да не изглежда много научна, но не вреди на никой досега.

Квантовата теория вече трансформира света чрез технологиите, които популяризира – транзистора и лазера например, и ще има още доста технологии, които ще ги последват. Имайки различни интерпретации, които да последва, дава на физиката идеи за това как да прави нещата по различни начини. Ако на историята може да се вярва, то нека държим съзнанието отворено относно това какво квантовата теория значи, това може дори да отваря ново поле във физиката, казва Ведрал. “Ето това би било наистина възхитително.”

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s