Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Does Anyone Know What Quantum Theory Means?

Знает ли кто-нибудь, что значит квантовая теория?

Квантовая физика основана на экспериментальных доказательствах, многие из которых были получены в первой половине 20 века.

Странное поведение, неоднократно подтверждающее теорию, наблюдалось в лабораториях по всему миру, несмотря на весь здравый смысл.

Действительно необычное поведение встречается только в маленьких масштабах; когда же размеры становятся сравнимы с кошкой, квантовые феномены, как кажется, всегда имеют определённые значения.

По-прежнему, и даже сегодня, точное значение такого странного квантового поведения не определено - это что-то, на что не обращают внимание самые современные физики, работающие над этими проблемами.

Некоторые физики надеются, что "теория всего", возможно, даже теория струн, может дать ясные объяснения для явлений, лежащих в основе квантовой физики.

Один из таких физиков, Ли Смолин, ссылается на неспособность теории струн объяснить квантовую физику как на основание для того, что фундаментальную теорию вселенной надо начать искать где-нибудь в другом месте - точка зрения, которую, несомненно, не поддерживает большинство сторонников теории струн.

Многие теоретики-приверженцы теории струн полагают, что значение имеет то, что квантовая физика работает (то есть делает предсказания, которые подтверждаются экспериментами), а философские заботы о том, почему она работает, менее важны.

Все объяснения того, почему квантовая физика работает, дают одни и те же экспериментальные предсказания, так что по эффективности они эквивалентны.

Эйнштейн провёл последние 30 лет жизни, выступая против поиска научного и философского подтекста квантовой физики.

Он и Нильс Бор постоянно препирались, и в физике это было время оживлённых дебатов.

"Бог не играет в кости со вселенной", - утверждал Эйнштейн.

Бор отвечал: "Эйнштейн, перестань говорить богу, что ему делать!"

Подобная эпоха может длиться и сейчас, когда физики-теоретики пытаются обнаружить фундаментальные принципы, лежащие в основе теории струн.

В отличие от квантовой теории, существует мало (если таковые вообще есть) экспериментальных результатов, на которых можно основать новый труд, однако много критиков Эйнштейна - и снова как со стороны научного общества, так и среди философов.

(Мы доберёмся до них в разделе 5.)

Даже имея сильную теорию, которая очевидно работает, физики продолжают сомневаться в том, что же в действительности означает квантовая физика.

Какова же физическая реальность, стоящая за математическими уравнениями?

Что на самом деле происходит с котом Шрёдингера?

Некоторые физики надеются, что теория струн может дать ответ на этот вопрос, хотя такая точка зрения является далеко не господствующей.

Однако любая успешная попытка привнести квантовую физику в новую область знаний может дать неожиданные идеи, которые разрешат вопросы.

Взаимодействия преобразуют квантовые системы: Копенгагенская интерпретация.

Копенгагенская интерпретация отражает общепринятую точку зрения на квантовую физику, как говорится в большинстве курсов для студентов, и, в основном, как я объяснил квантовую физику в этой главе: наблюдение или измерение являются причиной коллапса волновой функции от обычного значения вероятности к определённому особому.

Своё название эта интерпретация получила в честь Копенгагенского института в (вы угадали) Копенгагене, Дания, где Нильс Бор и его студенты способствовали формированию квантовой физики в 1920-х и ранних 1930-х, до того, как Вторая Мировая Война вынудила многих оставить Нидерланды.

В сегодняшних дискуссиях большинство физиков считает, что частицы в волновой функции постоянно взаимодействуют с окружающим миром.

Этих взаимодействий достаточно для того, чтобы волновая функция прошла через процесс, называемый декогеренцией, который, по существу, заставляет волновую функцию коллапсировать в определённое значение.

Другими словами, сам акт взаимодействия с другой материей является причиной того, что квантовая система превращается в классическую систему.

Только тщательно изолированная квантовая система, которая способна избегать таких взаимодействий, сможет остаться в когерентном состоянии, являясь волной достаточно долго, чтобы показать необычное квантовое поведение, такое как интерференция.

Исходя из этого объяснения, не следует открывать коробку, чтобы кот Шрёдингера принял определённое состояние.

Вероятно, именно внутри счётчика Гейгера происходит сбой, и реальность делает "выбор", распалась ли частица или нет.

Декогеренция волновой функции происходит задолго до того, как она достигнет кота.

Если нет никого, кто мог бы это увидеть, то существует ли вселенная?

Антропный принцип участия

Антропный принцип участия (АПУ) был предложен физиком Джоном Арчибальдом Уилером, когда он сказал, что люди существуют во "вселенной участия".

С точки зрения Уилера (крайне спорной), для того, чтобы произошёл коллапс волновой функции, необходим фактический наблюдатель, а не только биты и частицы, отскакивающие друг от друга.

Эта позиция заходит значительно дальше, чем строгие принципы Копенгагенской интерпретации, но её нельзя полностью отклонить, если подробно всматриваться в квантовые доказательства.

Если никогда не смотреть на квантовую систему, то для всех намерений и целей она всегда будет оставаться квантовой системой.

Кот Шрёдингера действительно будет жив и мёртв одновременно до тех пор, пока кто-либо не заглянет внутрь коробки.

Для Джона Барроу и Фрэнка Типлера (в их популярной и весьма спорной книге "Антропный космологический принцип", вышедшей в 1986 г.) это означает, что вселенная переходит в бытие только тогда, когда существует кто-либо, кто за ней наблюдает.

По существу, вселенной требуется присутствие некоторой формы жизни для того, чтобы волновая функция коллапсировала в первый раз, и это значит, что вселенная сама по себе не может существовать без наличия в ней жизни.

Большинство физиков полагает, что подход АПУ отдаёт людям ключевую роль во вселенной, а это позиция, которая потеряла своё расположение, когда Коперник осознал, что Земля не является центром вселенной.

По сути, они (справедливо, я полагаю) отклонили эту интерпретацию в пользу тех, в которых люди не являются необходимым компонентом вселенной.

Это является особенно важным утверждением концепции, известной как антропный принцип.

Недавние открытия в теории струн вынудили некоторых физиков-теоретиков, выступавших категорически против любой формы антропного принципа, пересмотреть свои взгляды и принять слабейшие версии антропного принципа как единственное средство получения предсказаний из огромного массива возможностей теории струн.

Подробнее эту концепцию я буду объяснять в главе 11.

Все возможности случаются: многомировая интерпретация

В отличие от вышеописанного, многомировая интерпретация (ММИ) Хью Эверетта III предполагает, что волновая функция на самом деле никогда не коллапсирует, однако все возможности становятся действительностью - только в альтернативных реальностях.

Вселенная беспрестанно расщепляется, по мере того как каждый квантовый вопрос разрешается всеми возможными способами в необъятной мультивселенной, состоящей из параллельных вселенной.

Это одна из самых необычных идей, возникших из квантовой физики, но и она имеет свои достоинства.

Подобно работе Эйнштейна, описанной в главе 6, частично Эверетт пришёл к своей теории, взяв математические выкладки квантовой теории и сделав предположение, что они могут быть воспринято буквально.

Если уравнение показывает, что существует две возможности, тогда почему бы не допустить, что две возможности и существуют?

Когда вы смотрите внутрь коробки, вместо того, что нечто странное происходит с квантовой системой, вы в действительности становитесь частью квантовой системы.

Теперь вы существуете в двух состояниях - одно состояние, которое обнаружило мёртвого кота, и другое, которое нашло его живым.

Хотя все эти параллельные вселенные кажутся делом научной фантастики, родственная концепция параллельных вселенных может возникнуть как предсказание теории струн.

На самом деле, возможно, что существует огромное количество параллельных вселенных - громадная мультивселенная.

Подробнее об этом рассказано в главе 15.

Каковы шансы? Последовательные истории

С точки зрения последовательных историй, в действительности множественные миры не осознаются, но их вероятность может быть посчитана.

Необходимость в наблюдателях устраняется путём допущения, что бесконечная сложность вселенной не может быть полностью рассмотрена даже математически, так что из большого числа возможных историй вычисляется средняя величина для того, чтобы достичь тех возможностей, которые более вероятны, включая и одну вселенную, содержащую фактически наблюдаемые результаты - нашу собственную.

Строго говоря, интерпретация последовательных историй не исключает многомировую интерпретацию, а только фокусируется на тех единственных результатах, в которых можно быть уверенным, а не на бесконечных последствиях, о которых можно только догадываться.

С физической точки зрения, это схоже с понятием декогеренции.

Волновые функции беспрестанно взаимодействуют с частицами на уровне, как раз достаточном для того, чтобы удерживать все возможности от реализации.

После того, как все возможные пути проанализированы, многие из них сходят на нет, оставляя только пару возможных историй - кот либо жив, либо мёртв.

Проведение измерений определяет, какая из них является реальной историей, а какая была только возможностью.

Поиск более фундаментальных данных: интерпретация скрытых параметров

Заключительной станет интерпретацией скрытых параметров, в которой уравнения квантовой теории скрывают ещё один уровень физической реальности.

Странные возможности квантовой физики (согласно с этим объяснением) являются результатом нашего неведения.

И если понять этот скрытый слой, система станет полностью детерминированной.

(Другими словами, если бы вы знали все параметры, то смогли бы знать в точности, что должно случиться, и квантовые вероятности исчезли бы.)

Первая теория скрытых параметров была разработана в 1920-х Луи де Бройлем, но в 1932 г. Джон фон Нейман выдвинул доказательство, показавшее, что такие теории не могут существовать в квантовой физике.

В 1952 г. физик Дэвид Бом использовал ошибку в этом доказательстве и переработал теорию де Бройля в свой собственный вариант (который стал самой популярной версией).

Центром аргументации Бома был математический контрпример к принципу неопределённости, показывающий, что квантовая теория может согласоваться с наличием частиц, определяющих положение и скорость.

Он предположил, что такие частицы воспроизводят (в среднем) результаты волновой функции Шрёдингера.

Затем он смог описать квантовую потенциальную волну, под управлением которой частицы проявляли такое поведение.

В теории скрытых параметров Бома существует ещё один спрятанный слой физических законов, которые фундаментальнее, чем квантовая механика.

Квантовая случайность будет устранена, если этот дополнительный слой сможет быть изучен.

Если такой скрытый слой существует, то, в принципе, когда-нибудь физика сможет обнаружить его каким-либо образом - возможно, даже через "теорию всего".

(Конечно, и существование "скрытого слоя", и "теории всего" - это идеи, в которые сегодня большинство физиков не верит.)

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145371

Переводчики: ilves_ArtO