Преразглеждането на уравнението на Шрьодингер може да обедини относителността и квантовата механика

Неотдавна физици предложиха модификация на известния парадокс на котката на Шрьодингер. Това преразглеждане може да помогне да се обясни защо квантовите частици могат да съществуват в няколко състояния едновременно, докато големите обекти (като Вселената) очевидно не могат да го направят.

Относителността на Айнщайн и квантовата механика

Физиката е сложна и завладяваща област, която се стреми да разбере основните закони, които управляват нашата вселена. Две от най-влиятелните и успешни теории в тази област са теорията на относителността на Айнщайн и квантовата механика.

Теорията на относителността, формулирана основно от Алберт Айнщайн в началото на XX в., направи революция в разбирането ни за пространството, времето и гравитацията. Тази теория се състои от две основни части: специална относителност и обща относителност. Специалната теория на относителността описва поведението на обектите, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. Докато общата теория на относителността обяснява гравитацията като изкривяване на пространство-времето, дължащо се на наличието на маса и енергия.

Квантовата механика, от друга страна, е теория, която описва поведението на субатомните частици като електроните и фотоните. За разлика от класическата физика тя постулира, че тези частици могат да съществуват в припокриващи се състояния. Това означава, че те могат да заемат няколко състояния едновременно. Така например един електрон може да се намира едновременно във вълново състояние и в състояние на частица. Но само докато не се наблюдава. С други думи, когато се извършва измерване, квантовата система преминава в едно от тези състояния, като получава точната стойност на измерваната величина.

Проблемът със съвместимостта

Проблемът възниква, когато се опитаме да обединим тези две теории в едно цялостно описание на Вселената. Относителността и квантовата механика се разминават по няколко важни въпроса. Така например квантовата механика предсказва съществуването на наложени едно върху друго състояния, докато общата теория на относителността описва вселена, в която обектите имат точно определени позиции и скорости. Освен това квантовата механика използва вероятностна рамка, за да опише поведението на частиците, докато теорията на относителността разчита на детерминистични уравнения, за да опише динамиката на пространство-времето.

Парадоксът на котката на Шрьодингер е отлична илюстрация на тази несъвместимост. В този известен сценарий една котка се намира в кутия с устройство, което може да предизвика изпускане на отрова, която убива котката. Според квантовата механика, докато кутията е затворена, котката е в състояние на суперпозиция. Тоест тя е едновременно жива и мъртва. Само когато кутията се отвори и котката се види, нейното състояние се определя. Това обаче противоречи на класическата интуиция, че котката не може да бъде едновременно нито жива, нито мъртва. Тя трябва да се намира в едно точно определено състояние.

В опит да съчетаят тези две на пръв поглед противоречиви гледни точки физиците предложиха модификация на уравнението на Шрьодингер, което е в основата на квантовата механика. Тази модификация предполага, че квантовите системи спонтанно се разрушават на равни интервали от време, придобивайки определени стойности на наблюдаваните параметри. С други думи, вместо да остават безкрайно дълго в наложено състояние, квантовите частици в крайна сметка „избират“ определено състояние по случаен и спонтанен начин.

Иновационният подход

За да се видят нещата по-ясно, си представете, че гледате на света през две различни лещи. От една страна, имате лещата на квантовата механика, която ви позволява да видите света на субатомните частици. Там всичко може да се намира в няколко състояния едновременно, като един вид вероятностен танц. От друга страна, имате лещата на общата теория на относителността на Айнщайн. Тя ви дава представа за Вселената в голям мащаб, където обектите следват точно определени детерминирани траектории, като планети, обикалящи около звезда.

Така тези две гледни точки за света често изглеждат противоречащи си една на друга. Квантовата механика ни казва, че всичко може да бъде размито и несигурно, докато общата теория на относителността ни казва, че всичко е точно и определено. Това е като да се опитваш да смесиш масло и вода: просто не изглежда възможно.

Затова в новата си работа физиците описват една съвсем нова теория. Какво би станало, ако вместо да разглеждаме нещата като размити или точни, намерим начин те да бъдат и двете едновременно, но в различни мащаби? В този момент се оказва полезна новата модификация на уравнението на Шрьодингер.

Тази модификация предполага, че квантовите системи, като например субатомните частици, могат да се разпадат спонтанно на равни интервали от време. През тези периоди те избират определено състояние от набор от възможни състояния. Това им дава своеобразен „тласък“ към определено състояние, което ги прави по-съвместими с нашата класическа представа за мащабния свят, управляван от общата теория на относителността.

С други думи, тази модификация на уравнението на Шрьодингер позволява на квантовите частици да преминават от размито, неопределено състояние към точно определено състояние. Това става с течение на времето, без да е необходимо външно наблюдение. Това обяснява защо виждаме макроскопични обекти, като например котки в кутии, не в странни насложени състояния, а в точно определени, наблюдаеми състояния.

Изглежда сякаш сме намерили начин да комбинираме двете лещи, за да получим по-ясна и последователна картина на света около нас. Разбира се, все още има много работа, която трябва да се свърши, за да се провери тази идея и да се види дали тя действително е вярна. Но това е една вълнуваща перспектива, която може да ни помогне да разберем по-добре тайните на Вселената.