Оригиналът е на Итън Сийгъл (Ethan Siegel)
Дали въобще се чува звукът от падащото дърво в гората, ако наоколо няма никой? Отговорът на този много стар философски въпрос може да не се окаже лесен.
Без значение за какво спорим, има едно нещо, с което всички сме съгласни (е, почти всички): наблюдаваната физическа реалност действително съществува. Разбира се, можем да продължим да говорим за различните свързани с това философски въпроси, но предположението, че реалността съществува, не противоречи на нищо, което бихме могли да измерим. Нашите сетивни органи, лабораторни експерименти, телескопи, обсерватории, природни процеси и всичко, което се случва при намесата на човека – всичко това потвърждава нашето предположение. Реалността съществува и нейното физическо описание е доста точно, тъй като всички измервания, направени по всяко време и на всяко място, му съответстват.
Съществува обаче набор от предположения за реалността, с които вече не всеки е съгласен. Основната идея е, че има обективна реалност, която не зависи от присъствието на наблюдател или измервателен уред, но дали наистина е така? През 20-ти век двата най-големи пробива в това отношение – теорията на относителността и квантовата механика внезапно поставиха под въпрос представата ни за обективната реалност. Те описват реалност, която е невъзможно да бъде отделена от самия акт на наблюдението. Нека се спрем малко по-подробно върху въпроса, какво ни е известно за обективната реалност към днешен ден.
Обективната реалност
С две думи идеята е следната: да предположим, че обективната реалност съществува, при това по такъв начин, че тя не зависи от нищо и от никого, който наблюдава и проследява нейното съществуване. Частиците си имат свои маси, заряди и други свойства, които не се променят в зависимост от това:
- Кой ги измерва
- Къде се намират
- Колко бързо се движат
- Кое свойство се измерва
- По какъв начин се осъществяват измерванията
Всъщност, това е една от основните идеи в науката – реалните неща не зависят от това, дали ние ги изучаваме или не, не зависят и от това как ги изучаваме.
Но както много други идеи, това е само предположение. Да, ние наистина виждаме, че в различните точки на пространствено-времевия континуум законите на физиката и фундаменталните константи на Природата не се променят. Водородните атоми в лабораториите на учените имат същите линии на поглъщане и изпускане, като атомите на водорода, който се намира на светлинни години от нас или на милиарди години в миналото. Масата на покой на протона в Антарктика съвпада с тази в Международната Космическа станция, а и в цялата Галактика. Така че това предположение е напълно вярно, доколкото можем да го проверим експериментално и чрез нашите наблюдения.
Тази идея перфектно работи във всички времена на развитие на физиката – от Галилей и Нютон до Фарадей и Максуел. Законите на гравитацията изглежда работят навсякъде започвайки от намиращите се на Земята обекти и приключвайки с телата, въртящи се около Земята и Слънцето. Гравитационната константа наистина си остава постоянна, законите за движение на телата не се променят, скоростта на движение и ускорение на обектите са еднакви, както и времето, необходимо за преодоляването на дадено разстояние.
На всички им се е струвало, че същата идея е валидна не само в класическата механика, но и при електромагнетизма. Законите за електричеството и магнетизма са еднакви навсякъде и те еднакво добре работят както с намиращите се в покой, така и с движещите се с произволна скорост заряди. Няма значение, дали това са частици от радиоактивен разпад, електрони или нещо друго. Зарядите могат да имат различно поведение в проводниците и изолаторите, а веществата, от които са направени оказват влияние на движението на зарядите в тях – но законите, константите и резултатите от измерванията, винаги съвпадат. Всичко това е било наистина забележително и всички са били доволни.
Теорията на относителността
Всичко започва да се променя с отриването на явленията свързани с намаляването на дължината и разтягането на времето. В крайна сметка се появява Теорията на относителността на Айнщайн, която революционно променя всичко.
Става дума за следното: ако на повърхността на Земята бъде изстрелян снаряд, всички наоколо могат да измерят неговата скорост и ще получат едно и също значение. Разликата е в направлението – ако някой е застанал зад оръдието, вижда, че снарядът бързо се отдалечава от него. Но ако някой стои пред оръдието, то снарядът се движи към него.
И ако някой от наблюдателите се намира на подвижна или бързо движеща се платформа, то той ще получи други числа за скоростта на снаряда и за неговото направление на движение. Но все пак, ако знаем с какви скорости се движат тези платформи, всеки един от наблюдателите с лекота може да пресъздаде ситуацията, възникнала пред неговите очи и пред очите на другите наблюдатели.
А какво ще стане, ако вместо обикновен снаряд от оръдие, се спрем на частица, която се движи със скорост близка до скоростта на светлината? Какво ще се получи, ако това е самата светлина? Изведнъж се оказва, че в подобен случай старите закони изобщо не работят. Абсолютно за всички, които наблюдават светлината, нейната скорост (във вакуум) ще бъде точно С или 299 792 458 м/с.
Изведнъж понятията като пространство и време, престават да бъдат част от реалността и започват да съществуват само относително наблюдателя. Анимацията по-горе показва резултатите от един мислен експеримент. В него двама наблюдатели измерват колко време ще е необходимо на светлината (в случая единичен фотон), за да се придвижи от пода до огледалото на тавана и обратно до пода. Това е един от видовете светлинни часовници, които би трябвало да дават еднакви резултати за всички наблюдатели – както подвижни, така и намиращи се в покой.
Но не – за неподвижния наблюдател, движещият се светлинен часовник ще изостава. А за подвижния наблюдател всичко ще му изглежда забавено, освен светлинния часовник, който е взел със себе си. А ако вземем още един подобен часовник, който е неподвижен спрямо нас, то за движещия се спрямо него наблюдател ще изглежда, че този часовник избързва.
По подобен начин може да се покаже, че и разстоянието между два обекта не е абсолютна величина, а зависи от конкретния наблюдател. Същото се отнася и за понятието едновременност – едновременни могат да бъдат събитията за два наблюдателя, които са в покой и близо един до друг. Дори и отговорът на простия въпрос, кога един снаряд ще падне на земята, ще бъде различен за различните наблюдатели, движещи се с различни скорости и в различни посоки.
Това всъщност е само началото. Оказа се, че влияние оказва не само движението на наблюдателя. Влияние оказват и изкривяванията на пространствено времевия континуум в резултат от въздействието на гравитацията. Времето се забавя не само при приближаване до скоростта на светлината, но и при попадането в силно гравитационно поле. Наличието и разпределението на материята и енергията влияят на нашето възприемане на пространство-времето и именно затова лъчът светлина се изкривява когато преминава близо до масивен космически обект, а времето се забавя при приближаване хоризонта на събитията на черна дупка.
В резултат от липсата на възможност обективно да бъдат измерени понятията като пространство и време, възникват редица твърде странни и противоречащи на човешката интуиция наблюдения. Ако в съседната галактика избухне свръхнова, логично е да предположим, че светлината от това събитие ще достигне до човешките очи в един точно определен момент, който не е трудно да се пресметне. Само че, ако на пътя между тази свръхнова и нас се намира нещо изключително масивно, то тази маса или маси изкривяват пространствено-времевия континуум, в резултат от което можем да видим няколко изображения на една и съща галактика, и на една и съща свръхнова, като при това светлината на различните изображения може да стигне до нас по различно време. Ако пространството и времето са реални, не може да се кажем че те са обективно реални – те са реални единствено по отношение на конкретния наблюдател или измервателното устройство.
Квантовата физика
В квантовата физика всичко е още по-зле и неинтуитивно. Резултатът от даден експеримент или наблюдение зависи от метода, по който се провежда експеримента или измерването, но още и от самия факт на осъществяване на това действие. Да се спрем на знаменития експеримент с двата прореза. Ако хвърляме голям брой малки обекти към преграда с два прореза в нея, то преминалите през някой от тези прорези обекти на теория би трябвало да образуват върху стената зад тази преграда две приблизително еднакви следи – по една за всеки прорез. В макро света точно така и става, независимо какво хвърляме към преградата – пръчици, топчета и дори котенца.
Но ако към тази преграда насочим поток от квантови частици, независимо дали електрони или фотони, то ние няма да видим само две следи. Ще видим типичната картина на вълновата интерференция – няколко линии, разположени на еднакво разстояние една от друга. Тези линии са съставени от следите на взаимодействащите си частици, като по този начин остават места, в които няма попадения на частици. Най-голям процент от тези следи се намира точно между двата прореза, а останалите пикове (най-голям брой следи) намаляват с отдалечаването от основната и постепенно затихват до нулата.
Може да се досетите да не насочвате към преградата поток от частици, а една по една. Ще се получи същия ефект – в макро света отново ще имаме две големи следи, в квантовия – отново множество следи, на еднакво разстояние една от друга и колкото повече единични частици насочите, толкова по-ясна ще става картината на интерференцията.
А може и да решите да измерите през кой точно процеп от двата процепа на преградата преминава конкретната частица преди да се удари в мишената. Резултатът, особено ако не сте го знаели по-рано, ще ви се стори изненадващ – в този случай и в двата свята – макро и квантовия, се получават две еднакви следи. Самото действие на наблюдаването на преминаващите през процепите частици унищожава тяхната квантова природа. По някакъв начин провеждането на това измерване (което всъщност се състои в това, че принуждавате една квантова частица да взаимодейства с друга, понеже иначе няма какво да видите) променя поведението на цялата квантова система.
Тези явления в квантовата механика се проявяват по различен начин. Ако накараме частица с неизвестен спин да премине през вертикално ориентиран магнит, то тя ще се отклони нагоре или надолу, което ще покаже какъв е нейния спин. Ако на нейния път поставим още един вертикално ориентиран магнит, то тя винаги ще се отклонява в същата посока. А какво ще стане, ако между двата вертикални магнита поставим един хоризонтален?
Хоризонталният магнит разделя потока от частици на две – едната част от тях се отклонява наляво, а другата – надясно. Но след като преминат през втория вертикален магнит те отново се делят на две части, като някак са „забравили“ че са преминали под въздействието на първия вертикален магнит. В този случай физиците казват, че хоризонталното измерване (наблюдение) унищожава вертикалната информация за ориентацията на спина.
Следва ли от това, че обективна реалност няма? Не е задължително. Под прикритието на измеримата реалност може да съществува нещо „още по-реално“, което изобщо не се влияе от това дали ние измерваме или наблюдаваме някакъв обект или квантова частица. Може би всичките наши измервания и наблюдения да са едни груби и твърде неефективни методи за разкриването на истинската природа на „истинската“ обективна реалност. Редица учени са на мнение, че един ден ние наистина ще можем със сигурност да разберем това. Засега можем да говорим само за определени граници на това какъв тип реалност, която е независима от наблюденията и измерванията, може да съществува в нашия свят. Именно по този повод беше връчена Нобеловата награда за физика през 2022 година. Но засега ние не виждаме възможност за разделяне на резултатите от измерванията от това кой и как ги извършва.
Мнозина погрешно считат, че науката е длъжна да обяснява защо Вселената, в която живеем, е такава, каквато е. На практика науката се занимава с точното описване на нашата Вселена и е постигнала значителни успехи в това. Но едни от най-интересните въпроси, които непрекъснато и по естествен начин възникват у нас, най-често са свързани с това, защо се случват едни или други явления. Нашият интелект по принцип обича да работи с причини и следствия – ако нещо се е случило, а след това се е случило още нещо, то второто събитие трябва да е следствие от първото. В повечето случаи това наистина е така, но квантовият свят нарушава тази стройна картина.
В крайна сметка няма категоричен отговор на въпроса, дали съществува обективна реалност, която по никакъв начин не зависи от наблюдателя. Мнозина считат, че наистина има такава реалност и създават интерпретация на квантовата физика на предположението за съществуването на някаква лежаща в основите на всичко обективна реалност. Други не правят подобно предположение и изграждат своя интерпретация на квантовата физика без подобен субстрат. Наличието на обективна реалност може да е един приятен от философска гледна точка факт, но във физиката това съвсем не е така.