Объективная реальность может вообще не существовать, считают квантовые физики

Реальность может существовать лишь "в глазах наблюдателя", согласно новому исследованию.

Существует ли реальность, или она обретает форму, когда наблюдатель фиксирует ее? Подобно извечной загадке о том, издает ли дерево звук, если оно падает в лесу, где нет никого, кто мог бы его услышать, этот вопрос остается одним из самых интересных в квантовой механике - отрасли науки, изучающей поведение субатомных частиц на микроскопическом уровне.

В области, где преобладают интригующие, почти таинственные явления, такие как "квантовая суперпозиция" - ситуация, когда одна частица может находиться в двух или даже "всех" возможных местах одновременно - некоторые эксперты утверждают, что реальность существует вне вашего сознания, и вы ничего не можете сделать, чтобы изменить ее.

Другие настаивают на том, что "квантовая реальность" может быть чем-то вроде пластилина, который вы формируете в различные формы своими собственными действиями. Теперь ученые из Федерального университета ABC (UFABC) в Сан-Паулу (Бразилия) подливают масла в огонь предположения о том, что реальность может существовать лишь "в глазах наблюдателя".

В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Communications Physics, бразильские ученые попытались проверить "принцип дополняемости", предложенный знаменитым датским физиком Нильсом Бором в 1928 году. Он гласит, что объекты обладают определенными парами взаимодополняющих свойств, которые невозможно наблюдать или измерять одновременно, как энергию и длительность, или положение и импульс.

Например, как бы вы ни поставили эксперимент с парой электронов, вы никак не сможете изучить положение обеих величин одновременно: тест проиллюстрирует положение первого электрона, но затушует положение второй частицы (комплементарной частицы) в то же самое время.

"Бог не играет в кости"

Чтобы понять, как этот принцип дополнительности связан с объективной реальностью, нам нужно окунуться в историю, примерно на столетие назад. Легендарный спор состоялся в Брюсселе в 1927 году между Бором и знаменитым физиком-теоретиком немецкого происхождения Альбертом Эйнштейном во время пятой Солвейской конференции (самой важной ежегодной международной конференции по физике и химии).

В присутствии 77 других блестящих ученых, собравшихся в столице Австрии для обсуждения зарождающейся области квантовой теории, Эйнштейн настаивал на том, что квантовые состояния обладают собственной реальностью, не зависящей от того, как ученый воздействует на них. Бор, тем временем, отстаивал идею о том, что квантовые системы могут иметь свою собственную реальность только после того, как ученый установит экспериментальную модель.

"Бог не играет в кости", - сказал Эйнштейн.

"Система ведет себя как волна или частица в зависимости от контекста, но вы не можете предсказать, что она будет делать", - утверждал Бор, указывая на концепцию дуализма волна-частица, которая гласит, что материя может в один момент времени выглядеть как волна, а в другой момент времени - как частица, идею, которую французский физик Луи де Бройль впервые выдвинул в 1924 году.

"Принцип дополнительности"

После окончания Сольвейской конференции 1927 года Бору потребовалось совсем немного времени, чтобы публично сформулировать свой принцип дополнительности. В течение следующих нескольких десятилетий спорное понятие Бора будет проверено и перепроверено до мелочей. Одним из тех, кто экспериментировал с принципом дополнительности, был американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер.

В 1978 году Уилер попытался переосмыслить эксперимент Томаса Янга 1801 года по изучению свойств света с помощью двойной щели. В двухщелевом эксперименте свет направляется на стену с двумя параллельными щелями. Когда свет проходит через каждую щель, на дальней стороне перегородки он дифрагирует и накладывается на свет из другой щели, интерферируя друг с другом. Это означает, что больше нет прямых линий: диаграмма, которая появляется в конце эксперимента, является интерференционной, что означает, что свет движется волнами. По сути, свет имеет природу частицы и волны, и эти две природы неразделимы.

Уилер заставил свой прибор переключаться между "аппаратом для измерения волн" и "аппаратом для измерения частиц" после того, как свет уже прошел через большую часть аппарата. Другими словами, он сделал отложенный выбор между тем, как уже распространился свет - как волна или как частица, и обнаружил, что даже после отложенного выбора принцип дополнительности не нарушается.

Однако в более поздних исследованиях, которые пытались применить принцип квантовой суперпозиции к эксперименту с отложенным выбором, было замечено, что две возможности сосуществуют (подобно тому, как две волны на поверхности озера могут накладываться друг на друга). Это говорит о гибридном поведении волнообразных и частиц в одном и том же аппарате, что противоречит принципу дополнительности.

Квантово-управляемая реальность

Бразильские ученые решили также провести эксперимент по созданию квантово-управляемой реальности.

"В эксперименте мы использовали методы ядерного магнитного резонанса, аналогичные тем, которые применяются в медицинской визуализации, - рассказал Роберто М. Серра, исследователь квантовых информационных наук и технологий в UFABC, который руководил экспериментом. Такие частицы, как протоны, нейтроны и электроны, обладают ядерным спином, который является магнитным свойством, аналогичным ориентации иглы компаса. "Мы манипулировали ядерными спинами различных атомов в молекуле с помощью электромагнитного излучения. В этой установке мы создали новое интерференционное устройство для ядерного спина протона, чтобы исследовать его волновую и частичную реальность в квантовой области", - объясняет Серра.

"Эта новая установка дала точно такую же наблюдаемую статистику, как и предыдущие квантовые эксперименты с отложенным выбором", - рассказывает "Популярной механике" Педро Руас Диегес, ныне постдокторский научный сотрудник Международного центра теории квантовых технологий (ICTQT) в Польше, принимавший участие в исследовании. "Однако в новой конфигурации мы смогли связать результат эксперимента с поведением волн и частиц таким образом, что подтверждается принцип дополнительности Бора", - продолжает Диегес.

Главный вывод из исследования, опубликованного в апреле 2022 года, заключается в том, что физическая реальность в квантовом мире состоит из взаимоисключающих сущностей, которые, тем не менее, не противоречат, а дополняют друг друга.

Это захватывающий результат, говорят эксперты. "Бразильские исследователи разработали математическую основу и соответствующую экспериментальную конфигурацию, которая позволяет проверить квантовую теорию, в частности, понять природу комплементарности, изучив физический реализм системы", - говорит Стивен Холлер, доцент физики в Фордхэмском университете.

Это исследование подчеркивает давнее изречение легендарного американского квантового физика и нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана: "Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы не понимаете квантовую механику", - говорит Холлер. "Нам еще многое предстоит узнать о теории, и исследователи продолжают делать успехи в понимании даже основных принципов, что особенно важно, поскольку мы вступаем в эпоху, когда квантовые устройства и вычисления начинают распространяться".

Диегес в восторге. "Тот факт, что материальная частица может вести себя как волна, а свет как частица, в зависимости от контекста, все еще остается одной из самых интригующих и прекрасных загадок квантовой физики, - говорит он.

Парадоксально, но эта присущая квантовой механике "странность" может оказаться весьма полезной: "Чем больше мы разгадываем квантовую механику, тем больше мы можем предложить революционных квантовых технологий, превосходящих свои классические аналоги, включая квантовые компьютеры, квантовую криптографию, квантовые датчики и квантовые тепловые устройства", - говорит Серра.

То, что реальность может быть только в глазах наблюдателя, является очень необычным аспектом физической реальности в квантовой области, и сама загадка не проявляет признаков разгадки, согласны оба исследователя.