Квантовая теория не может последовательно описать использование себя

Теория квантовой механики хорошо подкреплена экспериментами. Однако теперь мысленный эксперимент физиков ETH дает неожиданные противоречия. Эти результаты поднимают некоторые фундаментальные вопросы — и разделяют мнения экспертов.

Вероятно, нет другой научной теории, которая так же хорошо поддерживается, как квантовая механика. В течение почти 100 лет она неоднократно подтверждалась высокоточными экспериментами, но физики все еще не совсем удовлетворены.

Хотя квантовая механика очень точно описывает события на микроскопическом уровне, она испытывает проблемы с более крупными объектами — особенно объектами, для которых силы тяжести играет роль. Квантовая механика не может описать поведение планет, которое остается областью общей теории относительности.

Эта теория, в свою очередь, не может правильно описать мелкомасштабные процессы. Поэтому многие физики мечтают объединить квантовую механику с теорией относительности, чтобы сформировать последовательное мировоззрение.

К более крупным объектам

Хотя обе теории очень точно описывают физические процессы в своих областях, они сильно различаются. Как их можно комбинировать? Одна из возможностей заключается в проведении экспериментов по квантовой физике со все более крупными объектами в надежде на то, что в конечном итоге возникнут несоответствия, которые укажут на возможные решения.

Но физики должны работать в трудных условиях. Например, известный эксперимент, который может быть использован для того, чтобы показать, что твердые частицы одновременно ведут себя подобно волнам, не может быть выполнен с обычными объектами.

С другой стороны, эксперименты с мышлением могут быть использованы для преодоления границ макроскопического мира. Ренато Реннер, профессор теоретической физики, и его помощник Даниэла Фраушигер провели такой мысленный эксперимент и опубликовали в Nature Communications.

Грубо говоря, в своем мысленном эксперименте они рассматривают гипотетического физика, изучающего квантовомеханический объект, а затем используют квантовую механику для вычисления того, что наблюдает этот физик. Согласно нашему нынешнему мировоззрению, это косвенное наблюдение должно дать тот же результат, что и прямое наблюдение, но расчеты показывают, что это не так. Предсказание того, что физик будет наблюдать, прямо противоположно тому, что будет измерено непосредственно, создавая парадоксальную ситуацию.

Нет простых решений

Хотя мысленный эксперимент только сейчас официально публикуется в научном журнале, он уже стал предметом обсуждения среди экспертов. Поскольку процесс публикации неоднократно задерживался, другие публикации уже обращаются к его выводам — ​​это уже парадоксальная ситуация, отмечает Реннер.

Наиболее распространенная первоначальная реакция его коллег в этой области — подвергнуть сомнению расчеты, говорит Реннер, но пока никто не смог их опровергнуть. Один рецензент признал, что он сделал пять попыток найти ошибку в расчетах — и все без успеха. Другие коллеги представили конкретные объяснения того, как можно разрешить парадокс. Однако при ближайшем рассмотрении они всегда оказывались специальными решениями, которые на самом деле не устраняют проблему.

Удивительные выводы

Реннер считает замечательным, что этот вопрос явно поляризует людей. Он с удивлением заметил, что некоторые из его коллег очень эмоционально отреагировали на его выводы — вероятно, из-за того, что два очевидных вывода из полученных результатов в равной степени озадачивают.

Одно из объяснений заключается в том, что квантовая механика, по-видимому, не является, как считалось ранее, универсально применимой и, следовательно, не может быть применена к большим объектам. Но как теория может быть противоречивой, если она неоднократно так четко подтверждалась экспериментами? Другое объяснение заключается в том, что физика, как и политика, страдает от отсутствия четких фактов, и что есть другие возможности, помимо того, что мы считаем правдой.

Реннер испытывает трудности с обеими этими интерпретациями. Он скорее считает, что парадокс будет разрешен каким-то другим образом: «Когда мы оглядываемся на историю, в такие моменты решение часто приходило из неожиданного направления», — объясняет он. Общая Теория Относительности, например, которая решила противоречия в ньютоновской физике, основана на осознании того, что понятие времени, как оно обычно понималось в то время, было неправильным.

«Наша работа сейчас заключается в том, чтобы изучить, предполагает ли наш мысленный эксперимент вещи, которые не должны предполагаться в этой форме», — говорит Реннер. «И кто знает, может быть, нам придется еще раз пересмотреть нашу концепцию пространства и времени. Только когда мы принципиально переосмысливаем существующие теории, мы получаем более глубокое понимание того, как природа действительно работает».

Daniela Frauchiger et al, Quantum theory cannot consistently describe the use of itself, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-05739-8