Источник: https://bigthink.com/13-8/quantum-uncertainty-language/
В квантовом мире наблюдатель играет решающую роль в определении физической природы того, что наблюдается. Понятие объективной реальности утрачено. Прогресса в этой причудливой области можно было добиться только с помощью радикально новых подходов. Познаваемость — то есть возможность иметь абсолютное знание о чем—либо — невозможна. В то время как математика невероятно ясна, язык неспособен описать квантовую реальность.
Это пятая статья из серии статей, посвященных рождению квантовой физики.
“Небеса знают, какая кажущаяся бессмыслица может завтра не оказаться доказанной истиной”.
Вот как великий математик и философ Альфред Норт Уайтхед выразил свое разочарование натиском странностей, исходящим от зарождающейся квантовой физики. Он написал это в 1925 году, как раз в тот момент, когда все становилось по-настоящему странным. В то время было показано, что свет является одновременно частицей и волной, и Нильс Бор представил странную модель атома, которая показывала, как электроны застревают на своих орбитах. Они могли только перепрыгивать с одной орбиты на другую, либо испуская фотоны, чтобы перейти на более низкую орбиту, либо поглощая их, чтобы перейти на более высокую орбиту. Фотоны, со своей стороны, были частицами света, существование которых Эйнштейн предположил в 1905 году. Электроны и свет танцевали под совершенно уникальную мелодию.
Когда Уайтхед говорил, корпускулярно-волновой дуализм света только что был распространен на материю. Пытаясь понять атом Бора, Луи Де Бройль в 1924 году предположил, что электроны также являются и волной, и частицей, и что они вписываются в свои атомные орбиты подобно стоячим волнам — таким, которые вы получаете, вибрируя струной с одним неподвижным концом. Таким образом, все колеблется, хотя волнистость объектов быстро становится менее заметной с увеличением размера. Для электронов эта волнистость имеет решающее значение. Это гораздо менее важно, скажем, для бейсбола.
Квантовое освобождение
Из этого обсуждения вытекают два фундаментальных аспекта квантовой теории, и они радикально отличаются от традиционных классических рассуждений.
Во-первых, образы, которые мы создаем в своем сознании, когда пытаемся представить свет или частицы материи, неуместны. Сам язык с трудом справляется с квантовой реальностью, поскольку он ограничен вербализацией этих ментальных образов. Как писал великий немецкий физик Вернер Гейзенберг, “Мы хотим каким-то образом поговорить о структуре атомов, а не только о ‘фактах’… Но мы не можем говорить об атомах обычным языком”.
Во-вторых, наблюдатель больше не является пассивным игроком в описании природных явлений. Если свет и материя ведут себя как частицы или волны в зависимости от того, как мы ставим эксперимент, то мы не можем отделить наблюдателя от того, что наблюдается.
В квантовом мире наблюдатель играет решающую роль в определении физической природы того, что наблюдается. Понятие объективной реальности, существующей независимо от наблюдателя — данное в классической физике и даже в теории относительности — утрачено. В определенной степени это спорно; мир снаружи, по крайней мере в пределах очень малого, таков, каким мы его выбираем. Ричард Фейнман сказал это лучше всех:
“Вещи в очень малом масштабе ведут себя так, как будто у вас нет никакого непосредственного опыта. Они не ведут себя как волны, они не ведут себя как частицы, они не ведут себя как облака, или бильярдные шары, или гири на пружинах, или что-либо еще, что вы когда-либо видели”.
Учитывая причудливую природу квантового мира, прогресса можно было добиться только с помощью радикально новых подходов. С интервалом в два года в 1920-х годах была изобретена совершенно новая квантовая теория. Это была квантовая механика, которая могла описывать поведение атомов и их переходы, не прибегая к классическим картинам, таким как бильярдные шары и миниатюрные солнечные системы. В 1925 году Гейзенберг создал свою замечательную “матричную механику”, совершенно новый способ описания физических явлений.
Конструкция Гейзенберга была блестящим освобождением от ограничений, налагаемых классической визуализацией. Он не включал частицы или орбиты, только числа, описывающие электронные переходы в атомах. К сожалению, это также было общеизвестно трудно вычислить — даже для простейшего атома, водорода. Входит еще один блестящий молодой физик. (В те дни их было много, всем было за 20 и они находились под опекой Бора.) Австриец Вольфганг Паули показал, как матричная механика может быть использована для получения тех же результатов, что и модель Бора для атома водорода. Другими словами, квантовый мир требовал способа описания, совершенно чуждого нашей повседневной интуиции.
Единственная уверенность — это неопределенность
В 1927 году Гейзенберг вслед за своей новой механикой совершил глубокий прорыв в природу квантовой физики, еще больше дистанцировав ее от классической физики. Это знаменитый принцип неопределенности. Он утверждает, что мы не можем знать значения определенных пар физических переменных (таких как положение и скорость, или, что еще лучше, импульс) с произвольной точностью. Если мы попытаемся улучшить нашу оценку одного из двух, другой станет более неточным. Обратите внимание, что это ограничение не связано с актом наблюдения, как иногда говорят. Гейзенберг, пытаясь создать образ, объясняющий математику принципа неопределенности, утверждал, что если мы, скажем, направим свет на объект, чтобы увидеть, где он находится, сам свет оттолкнет его, и его положение будет неточным. То есть акт наблюдения вмешивается в то, что наблюдается.
Хотя это верно, это не является источником квантовой неопределенности. Неопределенность заложена в природе квантовых систем, являясь выражением неуловимого корпускулярно-волнового дуализма. Чем меньше объект, то есть чем более локализован он в пространстве, тем больше неопределенность в его импульсе.
Опять же, проблема здесь в том, чтобы объяснить словами поведение, для которого у нас нет интуиции. Математика, однако, очень ясна и эффективна. В мире очень маленьких все расплывчато. Мы не можем приписывать формы объектам в этом мире, как мы привыкли делать для окружающего нас мира. Значения физических величин этих объектов — таких значений, как положение, импульс или энергия — не поддаются познанию за пределами уровня, продиктованного соотношением Гейзенберга.
Познаваемость, понимаемая здесь как возможность иметь абсолютное знание о чем-либо, становится более важной, чем абстракция в квантовом мире. Это становится невозможным. Для интересующихся выражение Гейзенберга для положения и импульса объекта равно ∆x ∆p ≥ h/4π, где ∆x и ∆p — стандартные отклонения положения x и импульса p, а h — постоянная Планка. Если вы попытаетесь уменьшить ∆x, то есть увеличить свои знания о том, где находится объект в пространстве, вы уменьшите свои знания о его импульсе. (У объектов, движущихся медленно относительно света, импульс равен всего лишь мв, масса умножена на скорость.)
Квантовая неопределенность нанесла сокрушительный удар по тем, кто верил, что наука может дать детерминированное описание мира: что действие А вызывает реакцию Б. Планк, Эйнштейн и де Бройль были настроены скептически. Таким же был Шредингер, герой волнового описания квантовой физики, к которому мы обратимся на следующей неделе. Может ли природа быть настолько абсурдной? В конце концов, соотношение Гейзенберга говорило миру, что даже если бы вы знали начальное положение и импульс объекта с бесконечной точностью, вы не смогли бы предсказать его будущее поведение. Детерминизм, краеугольный камень классического мировоззрения механики, планет, вращающихся вокруг звезд, объектов, предсказуемо падающих на землю, световых волн, распространяющихся в пространстве и отражающихся от поверхностей, пришлось отказаться в пользу вероятностного описания реальности.
Вот тут-то и начинается настоящее веселье. Это когда мировоззрения таких гигантов, как Эйнштейн и Бор, сталкиваются на фоне нового взгляда неопределенности на природу реальности. Около столетия назад мир, или, по крайней мере, наше представление о нем, стал чем-то совершенно другим. А квантовая революция только начиналась.