Бог грає в кості. Англійські вчені переписали один з фундаментальних законів фізики

7 березня 2019, 20:01

Група фізиків зробила спробу переосмислити знамените Правило Борна, що лежить в основі квантової механіки. Результат вражає.

Сьогодні це складно усвідомити повною мірою, але Правило Борна - це лише здогад. Дивовижно точний, що витримав випробування часом і численними експериментами, та став одним із фундаментальних принципів квантової механіки. Але все одно - здогад.

Відео дня

Макс Борн, якого сьогодні називають одним з батьків квантової фізики, сформулював це правило в одній зі своїх наукових статей за 1926 рік.

Макс Борн (Фото: Wiki)
Макс Борн / Фото: Wiki

Правило Борна є законом квантової механіки, який розраховує ймовірність того, що вимір квантової системи дасть можливість отримати якийсь результат.

Протягом майже сотні років, що минули відтоді, ніхто так достеменно і не зрозумів, як працює цей закон, проте нікому ще не вдалося його спростувати. Поступово Правило Борна стало одним з основоположних принципів квантової фізики.

З огляду на нове дослідження групи фізиків Правило Борна може заграти новими барвами.

Британські фізики Луїс Масанес і Томас Галлі за допомогою Маркуса Мюллера з Австрійської академії наук, здається, знайшли новий спосіб описати Правило Борна, зробивши його більш обґрунтованим.

Правило Борна

Воно виникло не на порожньому місці. На початку 1920 фізики щойно розібралися із влаштуванням атома, усвідомивши, що його структура складається з щільного і позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками меншого розміру.

Залишалося питання - чому вся ця конструкція не руйнується. Деякі фізики припустили, що негативно заряджені частинки можуть мати двоїсту природу. Подібно до того, як хвилі світла мають природу частинок, негативно заряджені електрони можуть поводити себе як хвиля.

Це припущення зустріли з неабияким скепсисом. Не всі готові були прийняти ідею про подвійну природу світла. А коли мова зайшла про подібний дуалізм у випадку зі щільною матерією, це здавалося божевіллям.

Надалі експерименти підтвердили правоту цього дивного припущення. Але на момент появи Правила Борна, це все ще було справжньою "дичиною".

1926 року Макс Борн створив низку рівнянь для відображення ймовірності всередині цих хвиль. Фактично, він запропонував вимірювати випадковість.

Амплітуди хвильових функцій відображають якісь імовірності, і це уможливить, наприклад, передбачати розташування частинок під час експериментів, припускав Борн.

Водночас він відкрито визнавав, що його Правило ґрунтується не на якихось аксіомах або розумінні світобудови. Отримуючи 1954 року Нобелівську премію з фізики, Борн констатував, що одкровення прийшло до нього після прочитання робіт Ейнштейна.

Ейнштейн був упевнений, що Бог не грає в кості із Всесвітом (Фото: steemkr)
Ейнштейн був упевнений, що Бог не грає в кості із Всесвітом / Фото: steemkr

Борн аналізував спроби Ейнштейна пояснити двоїсту природу частинок світла, інтерпретуючи параметри амплітуди світлової хвилі як імовірність щільності потоку фотонів.

Ейнштейн був упевнений, що "Бог не грає в кості". І відкрито стверджував, що квантова механіка є "неповною" теорією. Борн доповнив її своїм Правилом, яке ґрунтувалося на інтуїтивному здогаді.

Якщо підходити до опису припущення німецького фізика Макса Борна формально, то воно може звучати приблизно так:

правило Борна (Фото: Скріншот)
правило Борна / Фото: Скріншот

Але простіше кажучи, Борн зробив вагомий внесок у монументальну суперечку між Альбертом Ейнштейном і квантовими фізиками. Сама по собі квантова фізика народилася внаслідок суперечки про те, чи є все в природі визначеним (теорія детермінізму) чи ні (теорія індетермінізму).

Найкраще ця суперечка ілюструється знаменитим заочним діалогом Ейнштейна з опонентами:

- Бог не грає в кості зі Всесвітом!

- Не вказуй Богу, що йому робити.

Ейнштейн, вивчаючи макрокосмос, вважав, що усе визначено. Квантові фізики своєю чергою доводили, що той, хто виконує експеримент, впливає на його результат, тобто спостережуване залежить від спостерігача.

Дотепер усі дослідження на макрокосмічному рівні підтверджують правоту Ейнштейна. Але всі дослідження на квантовому рівні доводять, що теоретики квантової фізики також мали рацію.

Легендарний кіт Шредінгера, як і раніше, актуальний. Фотони можуть поводити себе і як частка, і як хвиля, залежно від спостерігача. Квантова телепортація здійсненна на практиці. І навіть світло як таке на квантовому рівні поводиться абсолютно не так, як йому належить за законами макрокосмосу.

Можливо, зумовленість Ейнштейна дійсно стосується лише великих об'єктів, примирення теорії відносності з квантовою механікою варто залишити майбутнім поколінням, а роботам теоретиків квантової фізики варто приділити більше уваги.

Луїс Масанес (Фото: Univercity College of London)
Луїс Масанес / Фото: Univercity College of London

З такою думкою Масанес і Галлі вирішили підійти до Правила Борна, основного головного болю сучасної квантової механіки.

"Правило Борна - це основний зв'язок між абстрактними математичними об'єктами квантової механіки і світом реальних експериментів", - пояснює важливість питання Масанес.

100 років по тому

За роки, що минули з моменту появи Правила Борна, воно не отримало теоретичного обґрунтування, але і не було спростовано.

Рівняння Борна дають можливість прогнозувати розташування частинок під час експериментів, але як це працює, ніхто цілком не розуміє.

Багато фізиків вважають, що Правило Борна потребує переосмислення.

Масанес і Галлі також дозволили собі почати з припущень.

По-перше, вони вказують на те, що квантові стани описуються відповідно до вимірів магнітуди і спрямованості. Інакше кажучи, є чіткі параметри, також як, наприклад, для будь-якої точки на Землі підходить визначення координат за допомогою широти, довготи і висоти над рівнем моря.

Pixabay
Фото: Pixabay

По-друге, ці стани можна описати з позиції унітарності. Під цим висловлюванням мається на увазі інформація, яка пов'язує початок процесу з його кінцем.

За словами американського оглядача Майка Макрі, це найпростіше пояснити на такому прикладі - ви можете не знати, як ви дісталися додому з бару, але хоч яким був цей спосіб, він також може допомогти описати зворотний маршрут з дому в цей бар.

Крім того, вчені описали парадокс - результат вимірів не залежить від того, як ми групуємо частини складної квантової системи. Ми ділимо веселку на сім кольорів, нам так зручніше, але від цього вона не перестає бути веселкою, зазначає Макрі, природа не стурбована розподілом на зручні компоненти для сприйняття людей.

Інший приклад для опису цього феномена - якщо перед вами три яблука, то неважливо, як вони розташовані (два ліворуч від вас і одне праворуч, або два праворуч і одне ліворуч), все одно факт залишається фактом - перед вами три яблука.

І нарешті, кожен вимір квантового стану унікальний. Інакше кажучи, міріади можливостей і ймовірностей завжди мають один єдиний результат.

Фактично, Масанес і Галлі підвели нове логічне обґрунтування Правила Борна.

"Результати нашої роботи свідчать, що Правило Борна - не тільки було вдалою загадкою, але й загалом є єдиним логічним рішенням завдання визначення ймовірності", - підсумовує Масанес.

Ні, це не відповідь на питання, чому все у Всесвіті відбувається не випадково. Фактично, ми, як і раніше, не знаємо, що саме породжує ті чи інші ланцюжки подій у квантовому світі, не кажучи вже про макросвіт. Ми лише можемо відстежувати ланцюжки ймовірностей, але досі не розуміємо, як хвилі різних імовірностей розбиваються об реальність, яку ми спостерігаємо.

"Квантова фізика не стала менш дивною і незрозумілою після цього дослідження, - зазначає науковий оглядач Філіп Болл. - Але тепер ми, можливо, стали розуміти її трішки краще".

"Наразі виходить, що Бог все ще грає в кості зі Всесвітом, - констатує Макрі. - Але тепер у нас, можливо, є спосіб зловити його на шахрайстві".

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X