На фоне массы событий вручение Нобелевской премии по физике в 2022 году осталось в тени. И очень зря, ведь премию выдали за доказательство того, что наша Вселенная не является реальной. Да, это не описка.
По классике
Реальность оказалась сложнее, чем кажется. И теория о том, что мы живем в симуляции, заиграла новыми красками.
Начнем с понимания того, что вообще считается реальным с точки зрения физики. Парадоксально, но вопрос веками был проблемой для научного сообщества. Интуитивно мы можем отделить свой сон, в котором происходит дичь, от реальности. Но наука не любит интуитивность — она предпочитает четкие определения и сухие формулировки.
Кто-то, возможно, слышал определения “локальный реализм”, “реальность в локальном масштабе” и прочие вариации, где слово “реальность” сочетается с “локальностью”. Это и есть то самое определение реальности, которое существовало до 2022 года. Реальным в физике со времен Исаака НЬЮТОНА считается то, у чего есть определенные и конечные характеристики вне зависимости от наблюдателя. Дичь существует только в вашем сне, появляясь и исчезая. А вот новогодние мандарины в магазине будут оранжевыми еще до того, как вы пойдете за покупками.
Есть и популярный философский вопрос о дереве, падающем в безлюдном лесу. Будет ли звук падения, если его некому услышать? С точки зрения физики вопрос долгое время был нерелевантным. Разумеется, звук будет, ведь у дерева есть физические характеристики. Следовательно, взаимодействовать с окружающим миром оно будет. Не всегда предсказуемо, но всегда согласно законам физики. Люди же в этом уравнении лишь могут выступить барабанными перепонками, чтобы ловить звук. Другими словами, зная характеристики объекта, его поведения, всегда можно предсказать, что с ним будет.
Собственно, это второй постулат реальности, озвученный Ньютоном. Он утверждал, что если вы знаете скорость и характеристики объектов, а также в курсе всех сил, которые на них действуют, то легко предскажете, что с ними случится в будущем. А заодно и в прошлом. Выглядит железобетонно. Вот и Альберт ЭЙНШТЕЙН Ньютона горячо поддерживал. Да и вся астрономия. Чего уж там, как раз руководствуясь этим принципом, и открыты планеты, астероиды и другие галактики.
Доквантовый мир
Вернемся к слову “локальный”. Его добавляют к определению реальности, чтобы внести ясность в сам процесс взаимодействия объектов. Влиять на другие объекты могут только находящиеся неподалеку. И скорость распространения этого влияния имеет всем знакомый предел в виде скорости света.
Важно понимать, что под локальными и находящимися неподалеку объектами подразумеваются не обязательно находящиеся рядом звезда Альдебаран в 65 световых годах для наблюдателя на Земле. Считается локальным свет от нее, ложащийся на сетчатку человеческого глаза и взаимодействующий с ней. Он локален, так как на своем пути распространяется через близлежащее пространство и никаких законов не нарушает, распространяясь со скоростью света, но не выше.
Локальность — это оговорка, чтобы исключить из определения реальности эзотерику, сверхъестественное и прочие условности. В общем определении реальности всё было крепко и логично, а потом на сцену вышла квантовая механика.
Нет приборов?
Многие, наверное, в курсе эксперимента с электронами и двумя щелями. Если за электронами не наблюдать, они ведут себя как волна. Если добавить наблюдателя, электроны начинают вести себя как частицы.
Квантовая механика начала ломать классическое определение реальности. Мандарин на полке магазина всегда оранжевый, даже если на него никто не смотрит. Вот и электрон по идее должен быть вполне определенным с точки зрения физики объектом и вести себя одинаково вне зависимости от того, смотрит на него кто-то или нет.
Наша реальность дала трещину, но в начале XX века на это мало кто обращал внимание. Эйнштейн, к примеру, эксперимент с двумя щелями и ему подобные называл фейком. До самой смерти он считал, что мы банально не имеем нужных приборов точности и законов, по которым ведут себя эти частицы.
Парадокс
XX век прошел под эгидой соперничества двух систем: с одной стороны были квантовые физики, которые с каждым годом находили всё новые мистические свойства элементарных частиц. Они заявляли о том, что наш мир работает совсем иначе. С другой стороны были физики-классики, которые снисходительно заявляли, что когда-нибудь мы всё свяжем.
Полем боя двух систем стал парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, сокращенно ЭПР. Физики с ужасом осознали при изучении поведения элементарных частиц, что они могут находиться в двух местах и обладать двумя характеристиками одновременно, при этом влиять друг на друга.
Электрон, который с уроков физики в школе мы помним как своеобразный спутник, вращающийся вокруг атома, оказался абсолютно не таким в реальности. Электрон одновременно находится в каждой точке орбиты. Просто с разной вероятностью.
Кот Шредингера и прочие выкрутасы квантовых систем вам наверняка хотя бы поверхностно знакомы. Однако ЭПР-парадокс выбивается из правила хотя бы потому, что научно доказано: объяснить его с точки зрения обычной физики невозможно.
Телепортация
Квантовая телепортация описана в 1993 году. Если вкратце, она подразумевает создание подобной нашему эксперименту пары монеток. Их квантово связывают, и получается, что на огромном расстоянии мы получаем монетку, состояние которой предсказуемо в зависимости от первой монетки. И неважно, как далеко она находится.
Звучит, как магия, но в 2017 году китайские ученые с помощью спутника телепортировали частицу на расстояние в 1200 км. Это, конечно, не совсем телепортация, процедура больше похожа на клонирование состояния частицы и воспроизведения его в другом месте. Но это работает, и есть десятки успешных экспериментов, что возвращает нас к вопросу о реальности нашего мира.
Логично предположить, что, меняя свое состояние в процессе квантовой телепортации, частицы каким-то образом обмениваются информацией. Загвоздка только в том, что в таком случае это происходит быстрее скорости света. В текущем определении локальной реальности такое невозможно. Как минимум под удар попадает выражение локальности из-за нарушения скоростного режима.
Опровергли Эйнштейна
Всё стало еще веселее, когда под сомнение попал постулат о том, что у элементарных частиц есть предопределенное состояние. Это предмет работы Алена АСПЕ, Джона КЛАУЗЕРА и Антона ЦАЙЛИНГЕРА, лауреатов Нобелевской премии по физике 2022 года.
Они изучали фотоны и прочие элементарные частицы, пытаясь найти ответ на вопрос Эйнштейна, действительно ли нам не хватает оборудования, чтобы измерить характеристики крошечных частиц. Или их все-таки нет, и появляются они лишь в момент измерения.
Команда ученых доказала второе. А следовательно, и реальной нашу Вселенную не назвать.
Чтобы понять это наглядно, вернемся к эксперименту с двумя щелями. Да, поведение частиц и узор, которые они образуют, зависят от наблюдателя. Но мы не можем предсказать, куда именно упадет конкретная частица. Эйнштейн считал, что у нас не хватает знаний, чтобы предсказать ее поведение, но нобелевские лауреаты доказали обратное.
Некоторые аспекты работы квантового мира действительно непредсказуемы. Случайные крошечные частицы не имеют физических параметров, пока мы их не измерили. И не существует никаких законов, формул или определений, которых нам не хватает, чтобы связать квантовую физику с обычной. Изучать ее нужно такой, какая она есть для нашей реальности.
Этого не может быть!
Выходит, что Вселенная по-разному ведет себя в различных масштабах. И упаковать это в человеческую логику невозможно. То, что предсказуемо в видимом нами мире, непредсказуемо в мире квантовом.
Однако, в конце концов, все объекты видимого мира всё же состоят из частиц квантового, которые абсолютно непредсказуемы и показывают свои характеристики, только если на них посмотреть. И что самое смешное, каким-то образом связь между двумя абсолютно разными мирами работает.
Больше всех Нобелевской премии по физике рады сторонники теории, заявляющие, что наш мир — это симуляция. Среди них, например, миллиардер Илон Маск. Но симуляция в квантовом мире действительно очень похожа на принцип работы современных нейросетей с машинным обучением. У них на жестком диске нет картинки енота в костюме Деда Мороза. Но если попросить, нейросеть сформирует запросы и выдаст результаты. Так и у крошечных частиц нет характеристик, пока не поступит соответствующий запрос.
Не находимся ли мы в чьем-то компьютере, который экономит ресурсы и не заморачивается с прорисовкой мелких текстур, пока мы на них не посмотрим? Отрицать это уже тяжело. То же электричество в свое время казалось людям магией. И возможно, в будущем всё же найдется простой и понятный ответ на вопрос, реальна ли наша Вселенная.
Мы продолжим рассказ об интересных научных открытиях и разработках в мире, России, Чувашии. Десятилетие науки, объявленное в стране Президентом России, начинается. Вас ждет много удивительного.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Чтобы понять ЭПР-парадокс, представьте, что вы и ваш друг Василий отправились в разные концы Солнечной системы.
С Земли вам бросают две монетки, они начинают крутиться. И в момент, когда Василий увидит, орлом прилетела его монетка или же решкой, он будет четко знать, какой стороной монетка упала вам. Звучит глупо, ведь это чистая случайность. Василий не должен знать, что будет с вашей монеткой, основываясь на данных о своей. Однако в квантовом мире всё именно так.
Более того, в эксперименте Василий не просто узнает о состоянии вашей монетки. Он прямо на нее влияет. Эйнштейн по этому поводу произнес знаменитую фразу “Бог не играет в кости”. Однако современные исследования показывают, что всё же играет.
