Согласно научной легенде, квантовая механика зародилась на острове Гельголанд в 1925 году. Спустя сто лет физики все еще спорят об истинной природе этой странной теории и недавно вернулись на остров, чтобы обсудить ее будущее.
Остров Гельголанд играет почти мифологическую роль в истории квантовой механики. Shutterstock/Маркус Стаппен
Я посетил больше научных конференций, чем могу сосчитать, но недавняя встреча, проведенная на острове Гельголанд в ознаменование столетия квантовой механики, является одной из самых странных — в хорошем смысле.
Этот крошечный немецкий остров, длиной чуть больше километра и далеко в Северном море, имеет вид захудалого прибрежного курорта: море не слишком привлекательно даже летом, маленькие улочки, полные дешевых сувенирных магазинов, и запах рыбы с чипсами и мороженого. А теперь представьте, что на каждом шагу вы сталкиваетесь с физиками-лауреатами Нобелевской премии, изобретателями квантовой теории информации и экспериментаторами на переднем крае квантовых технологий, только что обсуждавшими свою работу в ратуше, рядом с полем для сумасшедшего гольфа. Все это довольно замечательно.
Как квантовая инновация может покончить с идеей мультивселенной
Многомировая интерпретация квантовой механики призывает альтернативные реальности, чтобы все было в равновесии. Подорвало ли решение столетнего парадокса их существование?
Причина, по которой мы здесь, раскрыта на камне на тропе утеса. На нем бронзовая табличка (см. ниже), которая предполагает, что именно здесь физик Вернер Гейзенберг, отправившийся на экскурсию в поисках облегчения от сенной лихорадки в 1925 году, изобрел квантовую механику. К сожалению, это не совсем так — в лучшем случае Гейзенберг набросал здесь некоторые идеи, которые только впоследствии он и другие развили в полноценную квантовую теорию. А версия, с которой мы более знакомы сегодня, была представлена в начале 1926 года Эрвином Шредингером, который ввел волновую функцию как способ предсказания эволюции квантовой системы.
Семь историй, которые празднуют 100-летие со дня рождения квантовой теории. Подробнее здесь
Тем не менее, если вы собираетесь назначить столетие квантовой механике, то это очевидный год для выбора. И независимо от того, насколько история Гельголанда была обязана самомифологизации Гейзенберга (он написал отчет о своем прорыве там лишь много лет спустя), этот отдаленный остров является довольно особенным местом для проведения вечеринки.
И что это за вечеринка. Трудно представить, чтобы такой выдающийся состав квантовых физиков снова собрался. Здесь четыре лауреата Нобелевской премии: Ален Аспект, Дэвид Уайнленд, Антон Цайлингер и Серж Арош. Вместе они установили реальность странных особенностей квантовой механики, таких как то, как свойства одной частицы могут казаться мгновенно зависящими от того, что мы измеряем для второй, «запутанной» частицы, независимо от того, как далеко она находится. Они также создали некоторые из методов манипулирования отдельными квантовыми частицами, которые теперь используются для создания квантовых компьютеров.
Но вот в чем дело. Я подозреваю, что эти великие старички согласятся со мной, что именно молодое поколение теперь имеет наибольшие надежды на то, чтобы понять, что на самом деле означает квантовая механика, и превратить ее печально известную контринтуитивную природу в новые технологии и новое понимание природы. Квантовая механика печально известна тем, что допускает множество различных интерпретаций того, что математика теории говорит нам о реальном мире, и большинство старой гвардии уже заняли определенную позицию и вряд ли изменят свои взгляды.
Мемориальная доска на Гельголанде увековечивает изобретение Вернером Гейзенбергом квантовой механики Филипп Болл
Этот тупик стал очевиден в ходе панельной дискуссии в первый вечер, в ходе которой Аспект, Цайлингер и Жиль Брассар, основатель квантовой криптографии из Монреальского университета (Канада), с одинаковой уверенностью высказались о фундаментальном значении квантовой механики, хотя и находились в прямом противоречии друг с другом.
Справедливости ради надо сказать, что эти ветераны сформировали свои идеи, несмотря на скептицизм (или даже хуже) со стороны своих коллег относительно ценности даже размышлений о таких «фундаментальных» вопросах. Они вышли из эпохи «заткнись и считай» — фразы, придуманной американским физиком Дэвидом Мермином, чтобы описать, как считалось дурным тоном задаваться вопросом о том, что означает квантовая механика, а долг человека состоял лишь в том, чтобы решить уравнение Шредингера. Неудивительно, что им пришлось развивать здравые взгляды и толстую кожу.
Молодые исследователи, похоже, менее склонны быть догматичными в отношении квантовых основ и, возможно, более готовы подбирать и излагать различные интерпретации в зависимости от того, насколько они полезны для рассматриваемой проблемы. Немного множества миров здесь, немного копенгагенской интерпретации там, все как инструменты для размышлений, а не утверждения о реальности.
Новое поколение также не столь непреклонно мужское. Например, Ведика Кхемани из Стэнфордского университета в Калифорнии рассказала на встрече о богатых и прекрасных связях между идеями в физике конденсированного состояния и квантовой информацией, связи, которая переносит нас от хранения информации на магнитной ленте в 1950-х годах к методам исправления ошибок, необходимым для квантовых вычислений сегодня.
Использование квантовой механики для создания новых технологий становится все более популярным, но теоретики тоже не расслабляются. Фламиния Джакомини из Федерального технологического института в Цюрихе, Швейцария, была одним из нескольких докладчиков, которые считали, что мы могли бы получить более ясную картину того, что означает квантовая механика, если бы мы могли примирить ее с гравитацией, стремясь объединить дискретный и зернистый квантовый мир с гладким и непрерывным миром, требуемым общей теорией относительности, обычно путем квантования гравитации.
Вы могли подумать, что все это касается исследования непроверяемых и едва постижимых идей в теории струн, одной из попыток создать такой союз. Но правда, как сказал Джакомини, в том, что «у нас нет экспериментальных доказательств того, что мы должны квантовать гравитацию» — у нас даже нет эмпирических причин (даже если теоретических достаточно), почему гравитация вообще должна быть квантовой силой, каковыми, очевидно, являются три другие силы природы.
Самое интересное, что это, по крайней мере, то, что мы можем надеяться проверить в ближайшем будущем, например, посмотрев, сможем ли мы запутать два объекта исключительно через их гравитационное взаимодействие. Проблема здесь в том, что объекты должны быть достаточно большими, чтобы производить значительную гравитационную силу, но достаточно маленькими, чтобы демонстрировать квантовое поведение: наночастицы, скажем, кремния или алмаза могли бы справиться с этой задачей. Несколько докладчиков выразили уверенность, что мы справимся с этой задачей в течение десятилетия или около того.
Для меня ключевым открытием встречи стало то, что теперь так много нитей квантовой теории и эксперимента переплетены. Потяните за одну, и вы повлияете на другие. Узнайте больше о квантовой гравитации из исключительно чувствительных экспериментов с захваченными частицами, и вы, возможно, вникнете в информационный парадокс черной дыры и выйдете с новыми идеями об исправлении ошибок для квантовых вычислений или свежим взглядом на извилистые «топологические» квантовые состояния.
Кажется возможным, что работа в любой из этих областей может даже наконец помочь нам понять старые вопросы, которые беспокоили Гейзенберга и его коллег: что происходит, когда мы проводим измерение квантовой частицы, и как это превращает квантовое в классическое? В любом случае, говорить, что столетие спустя мы все еще бьемся над этими старыми вопросами, — это неправильный способ смотреть на это. Вместо этого мы обнаружили, что квантовая механика гораздо богаче, полезнее и удивительнее, чем ее основатели могли когда-либо предполагать.
Источник: www.newscientist.com
