• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
617
Волновая функция – математическая абстракция или физическая реальность?
Физика
Результат математического моделирования «ауры» электрона, «просачивающегося» одновременно через обе дырки. Источник: WikiMedia Commons

Волновая функция – математическая абстракция или физическая реальность?

Известно, что квантовые объекты могут вести себя странным образом: как будто они двигаются сразу в нескольких направлениях, находятся одновременно в нескольких местах или вращаются сразу по и против часовой стрелки. На математическом уровне квантовое поведение частиц описывается при помощи так называемой «волновой функции». В зависимости от условий эксперимента она позволяет рассчитать, например, вероятность нахождения электрона в определенном месте. Или предсказать (опять же в терминах вероятности), как будет направлен его спин – вверх или вниз. 

Но математика не дает ответа на вопрос о природе этой функции. Является ли она элементом физического мира? Или это всего лишь математический инструмент, позволяющий нам работать в условиях фундаментального непонимания этого мира? И стоит ли вообще задаваться такими вопросами? Физики ставят эксперименты, чтобы понять природу этой загадочной функции, описывающей странности квантового мира.

Если бомбардировать редкими электронами стенку с двумя крошечными дырками, часть электронов проходит сквозь отверстия и каждый из них оставляет точечный след на экране за стенкой. Проводя эксперимент достаточное время, мы могли бы ожидать возникновение на экране двух круглых пятен, однако проявляющаяся картина выглядит более изощрённой и совпадает с картиной интерференции электромагнитных волн. Волновые свойства электрона и других элементарных частиц можно выразить математически через так называемую волновую функцию, определяющую вероятность обнаружить частицу в некоторой области пространства в течение заданного промежутка времени.

Да, наблюдения показывают и теории предсказывают, что квантовые объекты ведут себя странно, но имеет ли смысл думать о том, почему они так делают?

Здесь мнения ученых разделились. Сторонники так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики считают, что размышлять об этом не имеет практического смысла. Волновая функция – это работающий инструмент для предсказания результатов наблюдений. Суть этого подхода хлестко изложил Дэвид Мермин: «Заткнись и вычисляй!» И в целом эта позиция оправдана, поскольку привела к огромному прогрессу в ядерной физике и других отраслях.

Однако не всех ученых такой подход устраивает, и они продолжают предлагать свои интерпретации квантовых феноменов. Сторонники так называемой «причинной интерпретации», корни которой уходят к работам Эйнштейна, полагают наличие у квантовых объектов неких «скрытых параметров», знать которые нам пока не дано. Волновая функция отражает, таким образом, наше неведение относительно реального мира. На вопрос, жив или мертв кот Шредингера, сторонники причинной интерпретации отвечают: «Не знаю. Давайте поглядим». Однако есть и другие интерпретации, часть из которых рассматривают волновую функцию как элемент реальности. Одна из философских сложностей здесь состоит в том, что последние считают вышеупомянутого кота «одновременно» и живым, и мертвым, так же, как и приверженцы успешной копенгагенской интерпретации.

Кто же из них прав? На этот вопрос крайне сложно ответить при помощи эксперимента. Однако физику О. Мэруни и его коллегам из Оксфордского университета (Великобритания) удалось придумать эксперимент для проверки реальности волновой функции, а в прошлом году А. Федрицци, А. Уайт и др. (Квинслендский университет, Австралия) смогли реализовать его на практике. Суть эксперимента проста. Представьте две колоды карт – в одной карты только красной масти, а в другой одни тузы. «Вам дают карту и предлагают определить, из какой она колоды», – говорит физик М. Рингбауэр (Квинслендский университет). – «Если это красный туз, то вы имеете перекрывание (совмещение) признаков, и вы не сможете сказать, из какой эта карта колоды». Даже если вы знаете точный состав карт в каждой колоде, то в лучшем случае вы сможете подсчитать лишь вероятность возникновения такой неопределенной ситуации.

Подобная неопределенность присутствует и в квантовых системах. Экспериментаторы измерили поляризацию и другие параметры луча фотонов и обнаружили перекрывание, которое нельзя объяснить при помощи моделей, основанных на причинной интерпретации. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что если объективная реальность существует, то волновая функция реальна. С этим выводом можно спорить, потому что условия эксперимента предполагали существенные допущения. Поэтому ученые планируют в ближайшее время провести аналогичный эксперимент с ионами, которые легче отследить, чем фотоны. «В ближайшие полгода мы надеемся разработать эксперимент, не допускающий двойного толкования», говорит Мэруни.

В конечном счете такие исследования подводят нас вплотную к философскому вопросу о существовании объективной реальности. Хотя никто еще не знает, как это сделать, но, как говорит Уайт, «было бы невероятно интересно разработать эксперимент, чтобы проверить, существует ли на самом деле объективная реальность».

По: Quantum physics: What is really real? (by Zeeya Merali).

Подготовила   Алла Кобкова

Комментарий от Ильи Бетерева:

Проблема понимания и интерпретации квантового мира привлекает внимание ученых с первых лет развития квантовой механики. Нильс Бор утверждал, что наше сознание и язык не подходят для понимания явлений, происходящих на микро-масштабах. Квантовая механика смогла корректно предсказать исход тысяч экспериментов, что подтверждает ее статус как теории. Однако значительно сложнее проверить надежность ее интерпретаций. Один из наиболее интересных экспериментов в этой области поставил Ален Аспе в 1982 году – этот эксперимент показал отсутствие «скрытых параметров», которые могли бы определить результат квантовомеханических экспериментов, являющихся вероятностными с точки зрения современной физики. Проблема до сих остается скорее предметом философии нежели физики. В 1957 году Хью Эверетт разработал теорию множественности миров, согласно которой все альтернативные результаты измерений являются частью реальности, каждый в своем мире. Последние достижения квантовой оптики и компьютерного моделирования позволяют нам поставить в реальности классические мысленные эксперименты, предложенные Эйнштейном и Шредингером, что повышает интерес к основам квантовой механики.

Исследование «многомировой интерперетации» Эверетта – это важный и интересный шаг в этом направлении.

Подробнее об этом

Статьи

Материалы

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments