Може ли наблюдателят да бъде премахнат от квантовата физика? Новата теория на причинността казва „да“

Квантовата механика е може би най-успешният и в същото време най-неразбраният инструмент в арсенала на съвременната наука. От инженерна гледна точка тя е безупречна: благодарение на нея работят нашите компютри, лазери и скенери за ядрено-магнитен резонанс. Но от философска гледна точка теорията остава пълна с логически дупки. Основният проблем, който занимава физиците вече почти век, е ролята на наблюдателя.

Защо микрокосмосът съществува като облак от вероятности, докато макрокосмосът, който виждаме, е конкретен и недвусмислен? Наистина ли човешкият поглед (или измервателното устройство) създава реалността? Ново изследване, публикувано през 2024 г. от физиците Ник Ормерод и Джонатан Барет, предлага изход от ситуацията.

Кризата на интерпретацията: кой гледа Луната?

В класическата физика всичко е просто: топката лети, защото е ударена. Причината предхожда следствието и това правило действа независимо от това дали някой гледа топката. В квантовия свят тази логика се разпада. До момента на измерването електронът няма ясна координата – той е размазан в пространството, описан от вълнова функция.

Проблемът възниква, когато се опитаме да разберем как става преходът от вероятност към събитие. Стандартната (копенхагенска) интерпретация казва, че „измерването води до колапс на вълновата функция“. Но какво е измерването? Къде е границата между наблюдателя и наблюдаваното? Айнщайн, критикувайки този подход, язвително пита: „Съществува ли луната само защото една мишка я гледа?“

Много съвременни теории се опитват да заобиколят този въпрос. Някои от тях измислят безкрайни паралелни вселени (интерпретацията на многото светове), други свеждат физиката до субективно знание (квантовото байесианство). Но Ормрод и Барет решават да премахнат напълно наблюдателя от уравнението, като го заменят с математическа структура на причинно-следствените връзки.

Причинните мехури

Същността на новата хипотеза се състои в преосмисляне на това, което смятаме за градивни елементи на Вселената. Обикновено мислим за Вселената като за съвкупност от обекти (частици), които взаимодействат помежду си.

В новата концепция реалността не чака да бъде разгледана. Тя се създава сама чрез мрежа от взаимодействия. Авторите комбинират две съществуващи, но непълни теории:

• Консистентни истории: идеята, че една система може да се развива по различни траектории, но в реалността се реализират само логически последователни сценарии.
• Релационна квантова механика: идеята, че свойствата на даден обект съществуват само по отношение на друг обект, с който той взаимодейства.

Чрез комбинирането на двете и добавянето на математическия апарат на „причинните мехури“ физиците са получили модел, при който сигурността на света произтича от самата структура на неговите връзки, а не от магическия акт на наблюдението.

Парадоксът на приятеля на Вигнер: реалност в мехури

Новата теория е подложена на проверка с известния мисловен експеримент „Приятелят на Вигнер“. И така, приятелят е в лаборатория и измерва някаквае частица. За него резултатът се е определил – той вижда, да речем, „завъртане нагоре“. Извън лабораторията стои самият Вигнер. За него, както приятелят, така и частицата са все още в неопределено квантово състояние (суперпозиция).

Кое от тях е по-реално? Стандартната квантова механика стига в този случай до задънена улица, като приема съществуването на две противоречиви реалности.

Моделът на Ормрод-Барет, за да разреши противоречието, въвежда понятието причинни мехури.

• В рамките на лабораторния мехур (балон) причинно-следствената верига е затворена и резултатът е станал факт.
• За Уигнър, който се намира в друг причинен балон, събитията в лабораторията все още не са станали част от неговата причинна история.

И двамата наблюдатели са реални, но тяхната реалност е относителна. Сигурността престава да бъде абсолютно свойство на вселената, превръщайки се в свойство на конкретна причинно-следствена мрежа. Не съществува конфликт, защото няма единна, глобална гледна точка, а само поредица от взаимодействия.

Светият Граал на физиката: мостът към гравитацията

Мечтата на съвременната наука е теорията на квантовата гравитация, която обединява квантовата механика с Общата теория на относителността на Айнщайн.

В Общата теория на относителността гравитацията е геометрията на пространство-времето. Но още през 70-те години на миналия век беше доказано, че самата структура на пространство-времето може да бъде изведена от причинно-следствените връзки (светлинните конуси).

Нова наузчна работа показва, че квантовата реалност също може да произлиза от причинно-следствени структури.

Ако както структурата на пространството (гравитацията), така и поведението на материята (квантите) растат от един и същ корен – причинността, то най-накрая имаме реален шанс да ги обединим. Вместо да измислят 11 измерения, както е в теорията на струните, физиците може да открият, че ключът към „Теорията на всичко“ се крие на повърхността. Това е просто законът за причината и следствието, издигнат в абсолют.

Заключение

Въпреки това към тази красива хипотеза трябва да се подхожда с известен скептицизъм. На този етап работата на Ормерод и Барет е по-скоро сложно математическо равновесие, отколкото пълноценна физична теория. Изводът е, че замяната на неясния термин „наблюдение“ със също толкова абстрактния „причинно-следствени мехури“ може да се окаже само семантичен трик, прехвърлящ пъзела от един джоб в друг. Засега моделът само ретроспективно обяснява известните факти, но не прави нови прогнози, които могат да бъдат проверени в лабораторни условия и които биха го отличили от стандартната квантова механика.

Без експериментална проверка причинно-следственият подход рискува да повтори съдбата на теорията на струните – да се превърне в безупречно логичен „замък върху пясък“, който от десетилетия съществува само в главите на теоретиците, без да има никаква връзка с реалния свят.