Бог играет в кости. Английские ученые переписали один из фундаментальных законов физики

Научпоп

7 мартa, 20:01

Бог играет в кости. Английские ученые переписали один из фундаментальных законов физики

Бог играет в кости. Английские ученые переписали один из фундаментальных законов физики - фото

Pexels

Играет ли Бог в кости со Вселенной

Группа физиков сделала попытку переосмыслить знаменитое Правило Борна, лежащее в основе квантовой механики. Результат впечатляет.

Сегодня это сложно осознать в полной мере, но Правило Борна - это лишь догадка. Удивительно точная, выдержавшая испытание временем и многочисленными экспериментами, ставшая одним из основополагающих принципов квантовой механики. Но все равно - догадка.

Макс Борн, которого сегодня называют одним из отцов квантовой физики, сформулировал это правило в одной из своих научных статей за 1926 год.

Макс Борн
Макс Борн / Фото: Wiki

Правило Борна представляет собой закон квантовой механики, который рассчитывает вероятность того, что измерение квантовой системы позволит получить какой-либо результат.

На протяжении без малого сотни лет, прошедших с тех пор, никто так до конца и не понял, как работает этот закон, однако никому еще не удалось его опровергнуть. Постепенно Правило Борна стало одним из основополагающих принципов квантовой физики.

В свете нового исследования группы физиков, Правило Борна может заиграть новыми красками.

Британские физики Луис Масанес и Томас Галли при  помощи Маркуса Мюллера из Австрийской академии наук, кажется, нашли новый способ описать Правило Борна, сделав его более обоснованным.

Правило Борна

Оно возникло не на ровном месте. В начале 1920 физики только только разобрались с устройством атома, осознав, что его структура состоит из плотного и положительно заряженного ядра, окруженного негативно заряженными частицами меньшего размера.

Оставался вопрос - почему вся эта конструкция не разрушается. Некоторые физики предположили, что негативно заряженные частицы могут иметь двойственную природу. Подобно тому, как волны света имеют природу частиц, отрицательно заряженные электроны могут вести себя подобно волнам.

Это предположение было встречено с изрядным скепсисом. Не все готовы были принять идею о двойственной природе света. А когда речь зашла о подобном дуализме в случае с плотной материей, это казалось безумием.

В дальнейшем эксперименты подтвердили правоту этого удивительного предположения. Но на момент появления Правила Борна, это все еще было настоящей “дичью”.

В 1926 году Макс Борн создал ряд уравнений для отображения вероятности внутри этих волн. Фактически, он предложил измерять случайность.

Амплитуды волновых функций отражают некие вероятности, и это позволит, к примеру, предсказывать положение частиц в ходе экспериментов, предполагал Борн.

При этом, он открыто признавал, что его Правило основано не на неких аксиомах или понимании мироздания. Получая в 1954 году Нобелевскую премию по физике, Борн констатировал, что откровение пришло к нему после прочтения работ Эйнштейна.

Эйнштейн был уверен, что Бог не играет в кости со Вселенной
Эйнштейн был уверен, что Бог не играет в кости со Вселенной / Фото: steemkr

Борн анализировал попытки Эйнштейна объяснить двойственную природу частиц света интерпретируя параметры амплитуды световой волны как вероятность плотности потока фотонов.

Эйнштейн был уверен, что “Бог не играет в кости”. И открыто утверждал, что квантовая механика является “неполной” теорией. Борн дополнил ее своим Правилом, которое было основано на интуитивной догадке.

Если подходить к описанию догадки немецкого физика Макса Борна формально, то оно может звучать примерно так: 

Правило Борна
Правило Борна / Фото: Скриншот

Но проще говоря, Борн внес весомый вклад в монументальный спор между Альбертом Эйнштейном и квантовыми физиками. Сама по себе квантовая физика родилась вследствие спора о том, является ли все в природе предопределенным (теория детерминизма) или нет (теория индетерминизма). 

Лучше всего это спор иллюстрируется знаменитым заочным диалогом Эйнштейна с оппонентами:

- Бог не играет в кости со Вселенной!

- Не указывай Богу, что ему делать.

Эйнштейн, изучая макрокосмос, считал, что все предопределено. Квантовые физики в свою очередь доказывали, что тот, кто выполняет эксперимент, оказывает влияние на его результат, т.е. наблюдаемое зависит от наблюдателя.

До сих пор все исследования на макрокосмическом уровне подтверждают правоту Эйнштейна. Но все исследования на квантовом уровне доказывают, что теоретики квантовой физики также были правы.

Легендарный кот Шредингера по-прежнему актуален. Фотоны могут вести себя и как частица, и как волна, в зависимости от наблюдателя. Квантовая телепортация осуществима на практике. И даже свет как таковой на квантовом уровне ведет себя совершенно не так, как ему положено по законам макрокосмоса. 

Возможно, предопределенность Эйнштейна действительно касается лишь крупных объектов, примирение теории относительности с квантовой механикой стоит оставить будущим поколениям, а работам теоретиков квантовой физики стоит уделить больше внимания.

Луїс Масанес
Луїс Масанес / Фото: University College of London

С такой мыслью Масанес и Галли решили подойти к Правилу Борна, основной головной боли современной квантовой механики.

“Правило Борна - это ключевая связь между абстрактными математическими объектами квантовой механики и миром реальных экспериментов”, - объясняет важность вопроса Масанес.

100 лет спустя

За годы, прошедшие с момента появления Правила Борна, оно не получило теоретического обоснования, но и не было опровергнуто.

Уравнения Борна позволяют предсказывать расположения частиц в ходе экспериментов, но как это работает, никто до конца не понимает.

Многие физики считают, что Правило Борна нуждается в переосмыслении.

Масанес и Галли также позволили себе начать с предположений.

Во-первых, они указывают на то, что квантовые состояния описываются согласно измерениям магнитуды и направленности. Иными словами, есть четкие параметры, также как к примеру для любой точки на Земле подходит определение координат с помощью широты, долготы и высоты над уровнем моря.

Фото: Pixabay

Во-вторых, эти состояния можно описать с позиции унитарности. Под этим выражением понимается информация, которая связывает начало процесса с его концом.

По словам американского обозревателя Майка Макри, это проще всего объяснить на таком примере - вы можете не знать, как вы добрались домой из бара, но каким бы не был этот способ, он также может помочь описать обратный маршрут из дома в этот бар.

Кроме того, ученые описали парадокс - результат измерений не зависит от того, как мы группируем части сложной квантовой системы. Мы делим радугу на семь цветов, нам так удобнее, но от этого она не перестает быть радугой, отмечает Макри, природа не озабочена делением на удобные компоненты для восприятия людей.

Другой пример для описания этого парадокса - если перед вами три яблока, то неважно, как они расположены (два слева от вас и одно справа, или два справа и одно слева), все равно факт остается фактом - перед вами три яблока.

И наконец, каждое измерение квантового состояния уникально. Иными словами мириады возможностей и вероятностей всегда имеют один единственный результат.

Фактически, Масанес и Галли подвели новое логическое обоснование Правила Борна.

“Результаты нашей работы показывают, что Правило Борна - не только было удачной загадкой, но и в целом является единственным логическим решением задачи определения вероятности”, - заключает Масанес.

Нет, это не ответ на вопрос, почему все во Вселенной происходит не случайно. Фактически, мы по-прежнему не знаем, что именно порождает те или иные цепочки событий в квантовом мире, не говоря уже о макромире. Мы лишь можем отслеживать цепочки вероятностей, но все еще не понимаем, как волны различных вероятностей разбиваются о реальность, которую мы наблюдаем.

“Квантовая физика не стала менее странной и непонятной после этого исследования, - отмечает научный обозреватель Филип Болл. - Но теперь мы, возможно, стали понимать ее чуточку лучше”.

“На данный момент выходит, что Бог все еще играет в кости со Вселенной, - констатирует Макри. - Но теперь у нас, возможно, есть способ поймать его на жульничестве”.