Даже имея набор возможных квантовых состояний для нашей вселенной, мы не можем определить, какое из них является правильным.
Мы, возможно, никогда не узнаем универсальную волновую функцию. ВИКТОР де ШВАНБЕРГ/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
С точки зрения квантовой физики, Вселенная в некоторых отношениях может быть принципиально непознаваемой.
В квантовой физике каждому объекту, например электрону, соответствует математическая формула, называемая волновой функцией. Волновая функция кодирует все детали квантового состояния объекта, а это значит, что физики могут предсказать, что объект может сделать в эксперименте, комбинируя его волновую функцию с другими уравнениями.
Но если мы примем, что весь мир квантовый — а многие исследователи так считают, — то гораздо более крупные объекты, включая всю Вселенную, должны обладать волновыми функциями. Эту точку зрения ранее отстаивали, например, такие выдающиеся физики, как Стивен Хокинг.
Однако теперь Эдди Кеминг Чен из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Родерих Тумулка из Тюбингенского университета в Германии доказали, что полное знание этой универсальной волновой функции может быть принципиально недоступно.
«Волновая функция Вселенной подобна космической тайне, которую сама физика стремится сохранить. Мы можем знать очень многое о том, как ведет себя Вселенная, но при этом оставаться в фундаментальной неопределенности относительно того, в каком квантовом состоянии она находится», — говорит Чен.
Предыдущие исследования постулировали форму универсальной волновой функции на основе теоретических моделей космоса и не рассматривали напрямую, какую роль могут сыграть эксперименты и наблюдения в определении её деталей. Чен и Тумулка начали с более прагматичного вопроса: имея некоторый набор волновых функций, которые могли бы разумно представлять нашу Вселенную, могут ли наблюдения позволить исследователям выбрать правильную из них?
Начали они с математических результатов из квантовой статистической механики, изучающей свойства совокупностей квантовых состояний. Ещё одним важным моментом в их расчётах стало то, что универсальная волновая функция потребовала бы очень большого числа параметров или существовала бы в абстрактном многомерном состоянии.
Примечательно, что после завершения вычислений команда пришла к выводу о том, что универсальное квантовое состояние по сути непознаваемо.
«Любое измерение, допустимое согласно правилам квантовой механики, даст нам очень ограниченную информацию о волновой функции Вселенной. Определить волновую функцию Вселенной с достаточной точностью невозможно», — говорит Тумулка.
Джей Би Манчак из Калифорнийского университета в Ирвайне говорит, что эта работа помогает нам лучше понять ограничения наших лучших эмпирических методов и уже имеет некоторые аналоги в общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна. В то же время, по его словам, это может и не вызывать удивления, поскольку квантовая теория никогда не задумывалась как теория для космических масштабов.
«Волновая функция, будь то малой системы или всей Вселенной, — это скорее теоретическая величина. Волновые функции важны не потому, что мы их видим, а потому, что мы их используем», — говорит Шелдон Голдштейн из Ратгерского университета в Нью-Джерси. Он утверждает, что это означает, что невозможность выбрать одну наиболее точную универсальную волновую функцию из узкого набора кандидатов может не представлять проблемы, поскольку любая из волновых функций в этом наборе может оказывать аналогичное воздействие при использовании в дальнейших вычислениях.
Является ли гравитация новым типом силы, возникающей из космической энтропии?
Несколько десятилетий назад один физик-нонконформист предположил, что гравитация — это не столько сила, сколько побочный продукт стремления Вселенной к большей неупорядоченности. Теперь же эту идею, наконец, можно проверить.
Чен говорит, что он и Тумулка теперь хотят связать свою работу с крупными системами, которые меньше всей Вселенной, и особенно с исследованиями таких методов, как «теневая томография», которые используются для определения квантовых состояний таких систем. Но философские последствия этой работы также имеют значение. В частности, исследователям следует воспринимать это как предостережение от чрезмерной опоры на позитивистское мышление, или на представление о том, что утверждение бессмысленно или ненаучно, если его нельзя проверить экспериментально, говорит Тумулка. «Некоторые вещи действительно существуют в реальности, но мы не можем их измерить», — говорит он.
По словам Эмили Адлам из Калифорнийского университета Чепмена, подобные рассуждения могут также сыграть свою роль в вековой дискуссии о том, как осмыслить саму квантовую механику. По ее мнению, новый результат можно рассматривать как стимул к тому, чтобы больше внимания уделять интерпретациям квантовых уравнений, таких как волновая функция, которые подчеркивают взаимосвязь между квантовыми объектами и перспективой каждого наблюдателя, а не постулируют единую объективную точку зрения на реальность, кодифицированную одним математическим объектом.
Британский журнал по философии науки DOI: 10.1086/740609
Источник: www.newscientist.com
