Является ли физика детерминированной?

Исследователи из Австрийской академии наук, Венского университета и Женевского университета предложили новую интерпретацию классической физики без действительных чисел. Это новое исследование бросает вызов традиционному детерминистскому взгляду на классическую физику.

В классической физике обычно предполагается, что если мы знаем, где находится объект и какова его скорость, мы можем точно предсказать, куда он будет двигаться. Предполагаемый высший разум, обладающий знанием всех существующих в настоящее время объектов, сможет с уверенностью знать будущее, а также прошлое вселенной с бесконечной точностью.

Пьер-Симон Лаплас проиллюстрировал этот аргумент, позже названный демоном Лапласа, в начале 1800-х годов, чтобы проиллюстрировать концепцию детерминизма в классической физике. Обычно считается, что только с появлением квантовой физики был поставлен под сомнение детерминизм. Ученые выяснили, что не все можно сказать с уверенностью, и мы можем только рассчитать вероятность того, что что-то может вести себя определенным образом.

Но действительно ли классическая физика является полностью детерминированной? Флавио Дель Санто, исследователь Венского института квантовой оптики и Австрийской академии наук и Николас Гизен из Женевского университета, решают этот вопрос в своей новой статье «Физика без детерминизма: альтернативные интерпретации «Классической физики».

Опираясь на предыдущие работы последнего автора, они показывают, что обычная интерпретация классической физики основана на неявных дополнительных предположениях.

Когда мы измеряем что-то, скажем, длину стола с помощью линейки, мы находим это  значение с конечной точностью, то есть с конечным числом цифр. Даже если мы будем использовать более точный измерительный инструмент, мы просто найдем больше цифр, но все равно их конечное число.

Тем не менее, классическая физика предполагает, что даже если мы не сможем измерить их, существует бесконечное количество заранее определенных цифр. Это означает, что длина стола всегда идеально определена.

Теперь представьте, что вы играете в настольную игру типа Багатель (как на рисунке), где доска заполнена столбиками. Когда маленький шарик катится по доске, он ударяется о столбики и перемещается вправо или влево от каждого из них.

В детерминированном мире совершенное знание начальных условий, при которых мяч входит в доску (его скорость и положение), однозначно определяет путь, по которому будет идти мяч между препятствиями.

Классическая физика предполагает, что если мы не можем получить один и тот же путь в разных сериях, то это только потому, что на практике мы не смогли установить точно одинаковые начальные условия. Например, потому что у нас нет бесконечно точного измерительного инструмента, чтобы установить начальную позицию мяча при входе в доску.

Авторы нового исследования предлагают альтернативный взгляд: после определенного количества столкновений будущее мяча действительно случайно, даже в принципе, и не из-за ограничений наших измерительных приборов.

При каждом попадании в столбик мяч имеет определенную склонность к отскоку справа или слева, и этот выбор не определяется априори (не известен заранее). Для первых нескольких попаданий путь может быть определен с уверенностью, то есть склонность составляет 100% для одной стороны и 0% для другой.

Однако после определенного количества выводов выбор не предопределен, и склонность постепенно достигает 50% для правого направления и 50% для левого для удаленных выводов. Таким образом, можно считать, что каждая цифра длины нашего стола определяется процессом, аналогичным выбору движения влево или вправо при каждом ударе маленького шарика. Поэтому после определенного количества цифр длина больше не определяется.

Таким образом, новая модель, введенная исследователями, отказывается от обычного приписывания физического значения математическим действительным числам (числам с бесконечными заранее определенными цифрами).

Вместо этого говорится, что после определенного числа цифр их значения становятся действительно случайными, и только склонность к определенному значению четко определена. Это приводит к новому пониманию отношений между классической и квантовой физикой.

Фактически, когда, как и при каких обстоятельствах неопределенное количество принимает определенное значение, является общеизвестным вопросом в основах квантовой физики, известной как проблема квантовых измерений.

Это связано с тем, что в квантовом мире невозможно наблюдать реальность, не меняя ее. Фактически, значение измерения на квантовом объекте еще не установлено, пока наблюдатель фактически не измерит его.

Новое исследование, с другой стороны, указывает на то, что тот же самый вопрос всегда мог быть скрыт за успокаивающими правилами классической физики.

Flavio Del Santo et al. Physics without determinism: Alternative interpretations of classical physics, Physical Review A (2019). DOI: 10.1103/PhysRevA.100.062107