Группа ученых из Университета наук и технологий Китая предложила смелое решение “проблемы измерения” в квантовой механике, предположив, что конечный результат для состояний существования всего сущего определяется “игрой” между наблюдателем и природой.
На протяжении более века квантовая область создавала множество причудливых препятствий на пути к пониманию вселенского существования.
В микроскопическом квантовом мире атомов и субатомных частиц природа демонстрирует беспрецедентные странности, становясь непредсказуемой и действуя отлично от того, как она ведет себя в макроскопических масштабах, определяемых классической физикой.
Например, как показывает знаменитый “эксперимент с двойной щелью”, частицы, такие как электроны, атомы и молекулы, могут одновременно проявлять характеристики и волн, и частиц.
Поведение в квантовой области настолько странно и нелогично, что Альберт Эйнштейн так и не смог полностью принять эту теорию, назвав квантовую запутанность, или связь частиц между собой таким образом, что измерения, проведенные над одной частицей, необъяснимо влияют на другую, “жутким действием на расстоянии”.
И все же, как отмечает директор Центра астрофизики частиц Фермилаба д-р Крейг Хоган, этот странный мир, который действует совсем не так, как тот, который мы воспринимаем с помощью наших органов чувств, в конечном итоге является подлинной тканью существования.
“Буквально все состоит из квантовых материалов. Поэтому понять квантовый мир – значит понять все”, – объяснил доктор Хоган.
Но когда дело доходит до понимания квантовой сферы, физики уже давно мучаются над неразрешимой на первый взгляд загадкой, известной как “проблема измерения”.
Теперь группа китайских ученых предположила, что, возможно, решение проблемы измерения – это всего лишь “игра” между нами и мирозданием.
Кот, который и мертв, и жив
Наиболее широко принятый набор принципов квантовой механики известен как Копенгагенская интерпретация.
Основным принципом Копенгагенской интерпретации является концепция квантовой суперпозиции, согласно которой квантовые волны, пока их не наблюдают, существуют одновременно во всех возможных состояниях. После наблюдения квантовая волна резко превращается в частицу, находящуюся в одном состоянии.
Парадокс квантовой суперпозиции легче всего понять на примере известного мысленного эксперимента австрийского физика Эрвина Шредингера, получившего Нобелевскую премию за мысленное издевательство над котом.
Речь, естественно, об умозрительном эксперименте “Кот Шредингера”. Предположим, вы поместили кота в герметичный ящик на один час с контейнером радиоактивного материала, счетчиком Гейгера, прикрепленным к молотку, и ампулой смертельного цианида.
Существует вероятность 50/50, что в течение часа произойдет радиоактивный распад, в результате которого высвободится одна радиоактивная частица. Если радиоактивная частица будет испущена, сработает Гейгера, что приведет к падению молотка, который разобьет ампулу с цианидом и кот умрет.
В конечном итоге, когда вы откроете коробку, кот будет либо мертв, либо жив, исходя из вероятности 50/50, в зависимости от того произошел радиоактивный распад или не произошел.
Поскольку в данном примере кот играет роль квантовой системы, пока ее не наблюдают, кот будет одновременно существовать в двух отдельных, различных состояниях. По сути, пока коробка не открыта, кот одновременно и мертв, и жив.
Мысленный эксперимент Шредингера был призван продемонстрировать, как абсурдно ведут себя квантовые системы по сравнению с привычным миром, с которым мы взаимодействуем ежедневно.
В “реальном мире” кот не может быть одновременно и жив, и мертв. Однако на микроскопическом уровне квантовые системы могут существовать и существуют в таких вот явно различающихся состояниях.
А так, как отметил доктор Хоган, “буквально все сделано из квантовых материалов”, то это приводит к серьезной и тревожной загадке об истинной природе всего сущего.
Как или почему “квантовое нечто”, обладающее, по-видимому, безграничным потенциалом и не ограниченное временем и пространством, резко превращается в определенную материю, которая составляет нашу наблюдаемую Вселенную?
Игровое решение квантовой загадки
На протяжении почти столетия квантовую теорию мучили несколько нерешенных вопросов. Что заставляет квантовую волну схлопываться и принимать определенное состояние? Как или почему выбирается то или иное конечное состояние, и какую роль в этом процессе играет наблюдатель?
Все эти вопросы были сведены в одну непостижимую дилемму, известную физикам как “проблема измерения”.
Поскольку наблюдение за квантовой системой влияет на ее конечное состояние, попытка ответить на проблему измерения квантовой теории часто превращается в физический диспут, сдобренный философскими разговорами.
Новейшие квантовые физики, такие как Джон фон Нейман и Юджин Вигнер, теоретизировали, что на коллапс квантовой волны влияет человеческое сознание. Эта теория была в отвергнута современными физиками, поскольку многие эксперименты доказали, что “наблюдатель” не обязательно должен быть разумным человеческим существом.
В качестве наблюдателя может выступать любой физический объект, например, неодушевленный измерительный прибор или другая субатомная частица. Пока “наблюдатель” взаимодействует энергетически, квантовая система будет терять свое волновое состояние и превращаться в частицу.
В своей недавней работе исследователи из Университета науки и технологии Китая тоже теоретизируют, что человеческое сознание не играет роли в коллапсе квантовой волны. Однако наблюдатель должен интерпретировать результаты измерений или “играть в игру”.
Ученые предлагают подход квантового решения проблемы измерения, предполагая, что наблюдение квантовых свойств похоже на “игру” с природой.
Природа делает свой “выбор”, а наблюдатель “делает ставку” на него”, – пишут исследователи. Другими словами, наблюдателю приходится принимать решение в условиях неопределенности и с неполной информацией о “выборе” природы. “Благодаря этому процессу обучения наблюдатель постепенно накапливает в своей памяти собственный опыт природы для принятия решений в будущем.”
Чтобы продемонстрировать теорию, исследователи использовали компьютерную симуляцию, включающую модифицированную версию мысленного эксперимента с котом Шредингера.
В обновленной версии гипотетического кота запирают в коробке с лампой на один час. Если лампа горит, кот жив. Если лампа выключается, кот умирает. В течение часа для определения включен свет или нет подбрасывалась цифровая “монета”, при этом “орел” означала что лампа остается включенной, а “решка” – выключается.
Чтобы выиграть игру, наблюдатель должен правильно определить, выпал ли орел или решка и выключилась ли лампа или осталась включенной.
Из-за присущей природе неопределенности, для разовой игры наблюдатель не может установить объективную вероятность и должен субъективно угадать, горит лампа или нет.
Однако при повторном моделировании, по мнению исследователей, наблюдатель может увеличить вероятность правильного исхода, превышающую шансы 50/50.
Исследователи предполагают, что, постоянно играя в игру, наблюдатель может максимизировать свои шансы на успех, различая частотный паттерн для двух различных исходов с помощью процесса, называемого “квантовой теорией принятия решений по ожидаемому значению”.
“Другими словами, возможно, что наблюдатель может иметь разумное ожидание естественного состояния, изучая историю результатов повторных измерений на копиях одной и той же системы”, – пишут исследователи. – “Мы предлагаем квантовую теорию принятия решений для наблюдателей, и квантовое генетическое программирование применяется для разработки “удовлетворительных” стратегий для наблюдателей, чтобы “угадать” (со степенью убежденности) естественное состояние как можно лучше на основе квантовой ожидаемой ценности”.
В более широком смысле, теория предполагает, что наши непрерывные наблюдения за природой и историческое понимание результатов влияют на то, что квантовая волна распадается и принимает определенное состояние частицы.
С помощью компьютерного моделирования исследователи утверждают, что они могут реконструировать “траектории”, или исторические данные, с 70% точностью, по сравнению с ожидаемой 50% вероятностью случайного броска монеты.
“Мы можем взглянуть на квантовое измерение таким образом”, – говорят исследователи. – “Природа задает вопросы, а наблюдатели отвечают на естественные вопросы. По сути, это игра между природой и наблюдателями. Существует последовательность “выборов”, сделанных природой, а наблюдатели выбирают последовательность действий, руководствуясь оптимизированными стратегиями для декодирования природы”.
Поскольку симулированный наблюдатель использовался только для предсказания определенного количества неизвестных результатов, физики отмечают, что их теория не дает исчерпывающего решения проблемы измерения квантовой теории.
“Поскольку мы не можем получить “предварительную” информацию квантовой сущности, информация квантовой сущности является неполной. Квантовая сущность может иметь бесконечное число “траекторий”, поэтому мы не можем точно предсказать будущую “траекторию” квантовой сущности”, – говорят исследователи. – “Похоже, что природа действительно играет с нами в игры, и невозможно точно предсказать будущую траекторию квантовых сущностей, пока мы не сможем “танцевать” с природой в одном ритме. Но сможем ли мы?”
Идея о том, что наше существование определяется “игрой” между нами и природой, является интригующей. Однако, в конечном счете, доказательство истинности этой теории возвращается к той же самой непреходящей загадке.
Как объективно наблюдать эти процессы, учитывая, что их измерение означает, что вы уже играете в “игру”?
В прошлом веке, во время лекции 1964 года о квантовом поведении выдающийся физик-теоретик Ричард Фейнман однажды описал этот вопрос и “проблему измерения” как “единственную загадку” квантовой механики.
Загадка, которая, если ее решить, могла бы проложить путь не только к пониманию квантовой механики, но и всего нашего существования.
А пока, как сказал Фейнман, “я думаю, что могу с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никто”.
Читайте также: Оказывается, “ничто” не существует. Вместо него есть “квантовая пена”