Загадки квантового мира: природа реальности и время 0:00
Квантовая механика остается самой фундаментальной теорией, описывающей устройство нашего мира, однако спустя более чем столетие после её появления физики всё еще сталкиваются с глубокими философскими вопросами. Шон Кэрролл, теоретический физик и космолог из Университета Джонса Хопкинса, в беседе с репортером New Scientist Джеклин Кван обсуждает, почему мы до сих пор не до конца понимаем смысл квантовых законов, как «измерение» меняет реальность и существуют ли параллельные миры.
🔬 Квантовый двойной эксперимент 0:39
Эксперимент с двумя щелями, ставший иконой квантовой физики, иллюстрирует странную двойственную природу объектов микромира.
- Суть эксперимента: В XIX веке Томас Юнг продемонстрировал, что свет является волной, так как при прохождении через две щели он создает интерференционную картину. В квантовой механике частицы, такие как электроны, ведут себя аналогично — они создают интерференционный узор, если их не «подглядывать».
- Эффект наблюдения: Как отмечает Кэрролл, электрон ведет себя как волна, пока мы его не измеряем. Стоит нам установить детектор, чтобы определить, через какую конкретно щель прошел электрон, волновая картина исчезает, и электрон проявляет свойства частицы, проходя через одну щель.
- Коллапс волновой функции: Согласно распространенному подходу, электрон описывается «волновой функцией». В момент измерения она «коллапсирует», и вероятность превращается в определенный результат.
⚖️ Спорные интерпретации реальности 5:20
Несмотря на широкое преподавание Копенгагенской интерпретации, она вызывает массу вопросов, которые физики часто предпочитают игнорировать.
- Проблема измерения: В Копенгагенской модели термин «измерение» (или «наблюдение») не имеет четкого определения. Неясно, что именно является измерителем: человек, видеокамера или даже камень, и как быстро происходит этот процесс.
- Проблема реальности: Копенгагенская интерпретация, восходящая к Нильсу Бору и Вернеру Гейзенбергу, утверждает, что сама волновая функция не является реальной — это лишь инструмент для расчета исходов измерений. По словам Кэрролла, это выглядит как отказ признать существование квантового мира вне наших наблюдений.
- Многомировая интерпретация: Кэрролл является сторонником теории «многих миров». Он утверждает, что волновая функция реальна и описывает всю вселенную целиком. В этом подходе нет «коллапса»: при взаимодействии наблюдателя с квантовой системой происходит запутывание, и все возможные результаты измерений реализуются в разных ветвящихся мирах.
⏳ Время и квантовая гравитация 31:10
Квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна — два столпа физики, которые крайне сложно объединить, особенно в вопросах природы времени.
- Проблема времени: В квантовой теории гравитации уравнение Уилера-Девитта предполагает, что волновая функция вселенной не меняется со временем. Некоторые ученые делают вывод, что время не фундаментально, а «эмерджентно» (возникает из чего-то более глубокого), но Кэрролл считает, что общепринятого понимания этого процесса пока нет.
- Стрела времени: В фундаментальных законах физики (уравнения Ньютона, Шредингера, уравнения Эйнштейна) направление времени не выделено. Однако в реальности энтропия — мера беспорядка — постоянно растет. Это происходит потому, что ранняя Вселенная была в состоянии крайне низкой энтропии, причина чего остается загадкой.
🌌 Циклическая космология 46:37
В своей недавней работе, написанной совместно с Надией Дьячковой и Сакши Дулани, Кэрролл предлагает квантовое описание циклической Вселенной.
- Ограниченное пространство: Ученые рассматривают модель, в которой Вселенная существует в ограниченном наборе квантовых состояний, что при бесконечном времени приводит к повторению циклов.
- Периодичность: В этой модели Вселенная расширяется, остывает, а затем сжимается в состояние, аналогичное времени, обратному Большому взрыву. Энтропия снижается до минимума в момент «отскока», после чего начинается новый цикл.
- Тепловая смерть: Кэрролл поясняет, что в будущем, когда Вселенная придет к состоянию теплового равновесия (максимальной энтропии), стрела времени просто перестанет существовать, так как в ней не останется систем для её измерения.
