Квантовая волновая функция не описывает физическую реальность, полагают космологи
Космологи в поисках универсального закона Вселенной
Доминирующая интерпретация квантовой волновой функции рассматривает ее как реальную - как часть физического “тела” Вселенной. Некоторые физики заходят настолько далеко, что утверждают, будто вся Вселенная - это сплошная квантовая волновая функция.
Что такое квантовая волновая функция?
Но подобная интерпретация наталкивается на ряд проблем, включая столкновение с теорией относительности Эйнштейна. Лауреат премии Карла Поппера Эдди Кеминг Чен, стремясь избежать логических конфузов, предлагает интерпретировать волновую функцию как основу для базового закона природы, который описывает, как частицы, поля и обычные объекты перемещаются в пространстве и времени. Таким образом, по его мнению, разрешается ряд загадок, связанных с квантовой механикой.
Легко любить квантовую механику - фундаментальные правила, которые описывают наш физический мир, начиная с микроскопического уровня, - но трудно понять, о чем она на самом деле.
Квантовая механика, безусловно, полезна как алгоритм для предсказания результатов экспериментов. Она дала начало многим технологическим инновациям - от магнитно-резонансных томографов до полупроводников.
Однако когда дело доходит до вопроса о том, что квантовая механика говорит о природе физической реальности, все очень быстро усложняется. Действительно ли квантовая теория раскрывает фундаментальный уровень Вселенной?
С первых дней квантовой механики физики и философы спорят о природе “новой реальности”. Хотя существует множество различных интерпретаций, большинство из них сходятся в том, что для ее раскрытия необходимо разобраться с волновой функцией - центральным математическим объектом в теоретических построениях.
Так что же такое волновая функция? Мы придумали красивую математическую основу, но нам очень трудно прочертить физическую интерпретацию “стандартной” абстракции. Одна из доминирующих точек зрения заключается в том, что волновая функция представляет собой “реальность” в отличие от “повседневного” восприятия мира.
Доминирующий взгляд на волновую функцию
А если занять “компромиссную” позицию? Да, волновая функция – это часть физической реальности и вместе с тем – это и основа более широкого, пока еще неизвестного закона природы.
На первый взгляд, волновая функция относится к квантовой механике так же, как частицы к классической механике, а электромагнитные поля к классической электродинамике. Она имеет все признаки чего-то реального, незаменимого, и предположительно должна быть такой же частью конституции физической реальности, как и обычные объекты, например, столы или стулья.
Сторонники этой точки зрения - Шон Кэрролл, Дэвид Альберт и Алисса Ней. Впрочем, по сравнению с частицами и электромагнитными полями, волновая функция - это весьма абстрактный математический объект, который живет в высокоразмерном пространстве и прописывается мнимыми числами. Далеко не ясно, как волновая функция связана с нашим обычным миром повседневной реальности.
Задача интерпретации квантовой механики станет проще, откажись мы от ортодоксального мнения, что квантовая вселенная должна быть описана как “чистое состояние”, в технических терминах. Мы должны пересмотреть реалистические интерпретации волновой функции.
Вместо того, чтобы барахтаться в фундаменте материи, мы должны думать о ней как об основе для простого закона природы, который определяет движение всех физических объектов в пространстве и времени.
Чтобы мотивировать новую картину, позвольте суммировать некоторые проблемы, с которыми сталкиваются реалистические интерпретации волновой функции.
- Во-первых, если мы серьезно относимся к пространству, нам, возможно, придется признать реальную область, где разворачиваются физические события, - пространство чрезвычайно высокой размерности, порядка 10 в степени 80.
Хотя мы можем верить, что наша вселенная содержит 20+ измерений, постулируемых некоторыми версиями теории струн, гораздо невероятнее принять идею о том, что на самом деле реальное число измерений 10 в степени 80. Трудно представить, как из нее появляются обычные четырехмерные объекты, люди и деревья к примеру.
- Во-вторых, если предположить, что волновая функция - это физический объект, живущий в четырехмерном пространстве-времени, мы скатываемся к удивительному виду холизма. Предположим, у нас есть группа частиц в пространстве-времени. Волновая функция наделит группу свойствами, которые не могут быть получены из свойств отдельных частиц. Целое, так сказать, больше, чем его части. Квантовая запутанность, что вы хотите.
Наконец, реалистическая интерпретация волновой функции, похоже, находится в противоречии с теорией относительности Эйнштейна - столпом современной физики.
Если не существует объективного и уникального способа разрезать пространство на пространство и время, то признание квантовой запутанности в качестве фундаментальной особенности физического мира затрудняет описание полной истории Вселенной.
Как утверждает Дэвид Альберт, история квантовой вселенной при одном способе нарезки не может быть соотнесена с историей при другой нарезке, за счет измения системы отсчета. Требуются иные законы природы.
Следовательно, у нас уже есть мотивы для поиска альтернативы реалистическим интерпретациям волновой функции как физического объекта. Согласно более раннему предложению (Детлеф Дюрр, Шелдон Гольдштейн, Штефан Тейфель, Нино Занги), волновая функция Вселенной - это не физический объект, а физический закон, подобный второму закону движения Ньютона.
Волновая функция определяет движение физических объектов - как на квантовом уровне, так и на повседневном - частиц, полей, столов и стульев. Также не исключено, что есть более легкий и простой способ реализовать эту идею.
Квантовая волновая функция как основа для закона природы
Гипотетическая волновая функция Вселенной довольно сложна. Поскольку она несет так много информации, ее трудно специфицировать. Из-за своей сложности она не похожа на закон природы, который, как мы ожидаем, будет относительно простым, наподобие выражения для закона всемирного тяготения и второго закона Ньютона.
Сделаем шаг назад и рассмотрим проблему в другом масштабе. Представим волновую функцию в виде отдельного пикселя на экране, выделенным красным цветом. Если у нас есть мощный микроскоп, мы видим каждую точку на экране, включая красную. Для определения ее местоположения требуется много информации.
Теперь, если мы отрегулируем увеличение и немного уменьшим масштаб, мы перестанем видеть отдельные пиксели. На нужном уровне увеличения перед нами раскрывается узор, который проще описать. Предположение в том, что такого узора достаточно в качестве закона, описывающего движение обычных физических объектов. К тому же мы получаем матрицу плотности.
Если мы слишком сильно увеличим масштаб, есть опасность отбросить слишком много информации и, следовательно, упустить закономерность.
Так какой же уровень увеличения следует использовать? Ответ на этот вопрос связан с другой удивительной особенностью нашего мира - стрелой времени. Даже если динамические законы не делают различия между прошлым и будущим, наш обычный опыт полон процессов, которые говорят об обратно.
Вспомните таяние льда, распространение дыма и гниение фруктов. Вселенная выглядит более упорядоченной в прошлом и менее упорядоченной в будущем. Это наблюдение обобщено во Втором законе термодинамики, согласно которому изолированные системы имеют тенденцию к увеличению энтропии - меры беспорядка.
Как возможна стрела времени? Стандартный ответ заключается в добавлении фундаментальной Гипотезы прошлого, согласно которой Вселенная началась в особом состоянии очень низкой энтропии, во время Большого взрыва или около него.
Такое состояние может быть охарактеризовано с помощью макроскопических переменных. Гипотеза прошлого устанавливает идеальный баланс и отбирает именно то количество информации, которое нам необходимо для определения простого и в то же время эмпирически адекватного закона.
Полученная из нее картина описывается удивительно простым объектом. Он несет гораздо меньше информации, чем гипотетическая волновая функция. Он достаточно прост, чтобы быть кандидатом в законы природы, и достаточно информативен, чтобы определять движение обычных объектов.
В результате нам не нужно овеществлять волновую функцию ни как физический объект, ни как физический закон.
Отсюда возникают два следствия.
- Во-первых, концептуальные вопросы о стреле времени тесно связаны с интерпретациями квантовой механики.
- Во-вторых, появляется альтернатива реалистическим интерпретациям волновой функции.
В литературе по философии науки Дэвид Альберт и Барри Лоуэр назвали свою теорию "Ментакулус".Заменим букву "M" на "В" и таким обраом обозначим теоретическую альтернативу.
Картину мира, которая предлагает “Вентакулус”, легче принять, чем реалистические интерпретации волновой функции. Квантовая вселенная включает в себя обычные объекты, состоящие из частиц, полей и/или других локализованных сущностей.
Она больше не занимает центральное место в этой теории как физический объект или физический закон. Вместо нее мы постулируем гораздо более грубый и простой объект, который естественным образом вытекает из соображений о Гипотезе прошлого. Он представляет собой закон природы, определяющий движение обычных объектов.
Преимущества взгляда “Вентакулус” на квантовую механику
Вентакулус уменьшает виды случайности в мире. Согласно ортодоксальному взгляду, результаты квантовых экспериментов случайны, и случайность предсказывается волновой функцией.
Однако сама волновая функция также выбирается случайным образом из множества различных гипотетических волновых функций, и такая случайность является дополнительным постулатом теории. В нашем случае второй постулат случайности устраняется; существует только одно физически возможное квантовое состояние, и оно совсем не случайно.
Более того, “Вентакулус” объединяет Вселенную с ее подсистемами. Согласно ортодоксальной точке зрения, Вселенная описывается волновой функцией, но большинство подсистем не могут быть описаны волновыми функциями из-за квантовой запутанности. С предлагаемой точки зрения , вся Вселенная - включая все ее части, описывается одними и теми же математическими уравнениями.
Более того, “вентакуловская” версия многомировой квантовой механики Эверетта является первым реалистичным и простым примером сильного детерминизма, идеи (введенной Роджером Пенроузом) о том, что законы природы допускают только одну возможную модель физической реальности.
В ортодоксальной версии теории Эверетта волновая функция порождает множество различных и параллельных ветвей, каждая из которых имеет свою историю. Все они реальны и включены в гигантскую мультивселенную, гораздо большую версию того, что мы обычно считаем физической реальностью.
Однако, согласно теории Эверетта, могут существовать различные волновые функции и, следовательно, различные мультивселенные. Реальная мультивселенная может быть любой из них.
Другими словами, физическая реальность не ограничена законами природы, поскольку они допускают различные модели мультивселенной.
В версии “Вентакулуса”, напротив, законы природы полностью определяют мультивселенную, поэтому существует только один способ бытия физической реальности. Иначе говоря, реальная мультивселенная невозможна под страхом нарушения физических законов.
Квантовую механику трудно интерпретировать. Мы можем добиться прогресса, если перестанем быть реалистами в отношении квантовой волновой функции и уменьшим масштаб.
-
Что почитать в день «Звездных вoйн»: 3 отличных книги о далекой галактике
Литературный цикл по «Звездным войнам» включает в себя множество книг о разных эпохах и персонажаха. В честь праздника рассказываем про то, с каких романов можно начать знакомство с книжной составляющей саги.
«Траун», Тимоти Зан
Если вам всегда было интересно взглянуть на историю «с другой стороны баррикад», то произведения Тимоти Зана дарят отличную возможность сделать это. Романы Зана о Трауне стояли у истоков книг по «Звездным вoйнам», а сам адмирал Траун вполне может поспорить по популярности с персонажами киносаги. В новом каноне Траун и сам появился на экране в качестве антагониста мультсериала «Повстанцы». А создатель персонажа, Тимоти Зан, создал две новые трилогии, которые являются частью нового канона саги.
Сюжет романа «Траун» и двух последующих книг посвящен тому, как именно гениальный стратег примкнул к рядам Империи и сделал в ней стремительную карьеру. Траун демонстрирует свои способности, привлекает внимание самого Палпатина и присягает ему на верность. Но с какой целью? И с какими препятствиями ему предстоит столкнуться, чтобы не утратить доверие Императора? И что об этом думает Дарт Вейдер? Трилогия «Траун» расширяет представление об антагонистах «Звездных вoйн» и показывает жизнь Империи изнутри.
Есть и другая трилогия, «Траун. Доминация», действие которой разворачивается на родине будущего гранд-адмирала, в Неизведанных Регионах галактики, где обитает народ чиссов. Тут читатели встречают совсем молодого Трауна, который готов на все, чтобы защитить свой народ от многочисленных угроз.
Эти книжные циклы можно читать в любом порядке, сюжетно они друг от друга не зависят. «Траун», скорее всего, придется по душе самым преданным поклонникам киносаги, тогда как «Доминация» будет интересна тем, кому нравится экзотика и хочется узнать больше о сокровенных уголках далекой галактики.
«Свет джедаев», Чарльз Соул
Если в оригинальных «Звездных вoйнах» мы видим закат и падение Республики, то ведь были же когда-то времена ее восхождения и величия. С этой мыслью создана целая эпоха, которая объединяет романы и комиксы различных авторов: «Расцвет Республики». Это масштабный и амбициозный проект — над ним работает большой коллектив авторов, а его развитие распланировано на годы вперед. Открывает его роман Чарльза Соула «Свет джедаев». В целом, любое произведение «Расцвета Республики» можно читать отдельно от других, они обладают самостоятельным законченным сюжетом, в них часто действуют разные персонажи. И все же общая арка борьбы рыцарей с врагами Республики начинается именно в «Свете джедаев».
Действие происходит за сотни лет до событий киносаги. На рубежах владений Республики, которая находится в зените славы и расширяет свои границы, готовится к запуску новая космическая станция — маяк «Звездный свет». Он должен стать символом надежды и света цивилизации, которые Республика стремится принести во все уголки галактики. Но многие надежды рухнут, а жизни оборвутся, если джедаи не смогут остановить внезапную катастрофу: звездолет потерпел крушение в гиперпространстве, и теперь осколке угрожают целой системе. Впрочем, возможно, это не главная опасность... Динамичный и драматичный роман Чарльза Соула увлекает и сам по себе, а заодно служит введением в новую эпоху «Звездных вoйн».
«Учитель и ученик», Клаудия Грей
А что же делать тем, кто скучает по классическим героям саги? Здесь литературному канону «Звездных вoйн» тоже есть, что предложить. Например, роман Клаудии Грей «Учитель и ученик» повествует о приключениях Квай-Гон Джинна и юного Оби-Вана Кеноби. Причем в приключения вплетены как тайны прошлого одного из них, так и конфликт между ними... Оби-Ван склонен придерживаться правил Ордена, тогда как его наставник предпочитает идти наперекор законам и традициям. Квай-Гон привык поступать так, как сам считает правильным. И все же даже самого сумасбродного рыцаря-джедая может испугать очень простая, очень человеческая мысль: что если он оказался плохим учителем?
Сотрудничество, которое не всегда было простым, но оставалось гармоничным, теперь под угрозой. Если Квай-Гон Джинн согласится вступить в Совет джедаев, Оби-Вану придется найти нового учителя. Принимая сложное решение, Квай-Гон оставил это предложение в тайне от ученика. Но тайное становится явным как всегда в неподходящее время — рядовая вроде бы миссия обернулась настоящей опасностью, а доверие между учителем и учеником подорвано. Смогут ли они слаженно работать вместе, когда это окажется нужнее всего? Сюжет романа связывает противостояние внешней угрозе и внутренним демонам. Клаудия Грей создала захватывающий и психологичный роман, который принесет в жизнь поклонников саги сладкое чувство ностальгии.
Мозг нужен не для мышления: 5 неожиданных фактов от профессора Гарварда
Доктор наук и страстная любительница нейробиологии Лиза Фельдман Барретт написала книгу «Семь с половиной уроков о мозге», в которой развенчивает мифы, укоренившиеся в нашем сознании. Выбрали несколько фактов из новинки.
1. Мозг предназначен не для мышления
Благодаря чему мозг человека эволюционировал? Распространенное мнение звучит так: благодаря тому, что совершенствовалась наша способность мыслить. Как ни странно, оно ошибочно.
Чтобы найти ответ, вернемся на 500 миллионов лет назад. Наша планета вступила в период, который ученые называют кембрийским. В ту пору на эволюционной сцене появилось кое-что новое и крайне значимое — охота. Каким-то образом одно из тогдашних живых существ вдруг сумело почуять присутствие другого и съесть его. Конечно, животные и раньше пожирали друг друга, однако теперь этот процесс стал целенаправленным.
Чтобы выжить, нужно было «просчитать», кого можно съесть, а от кого — убежать или спрятаться. А для этого — эффективно расходовать ресурсы организма.
Поэтому основная задача «командного центра» не в рациональном мышлении, формировании эмоций, использовании воображения, креативности или эмпатии. Главная функция мозга — управлять организмом, осуществляя аллостаз и своевременно прогнозируя, в каких ситуациях и сколько придется израсходовать энергии, чтобы совершить действительно необходимые действия и, таким образом, выжить.
2. У вас только один мозг, а не три
Врач середины XX века Пол Маклин рассматривал под микроскопом ткани мозга мертвых ящериц и млекопитающих, в том числе человека, и искал между ними сходства и различия. Он утверждал, что в человеческом мозге есть части, которых нет у других животных. Ученый назвал их неокортексом. Кроме того, Маклин обнаружил, что в мозгу млекопитающих есть функциональные блоки, которые отсутствуют у рептилий, — он назвал их лимбической системой.
Так сформировалась концепция триединого мозга. Считалось, что в нем постепенно сформировались три слоя, чтобы над животными порывами и эмоциями начал доминировать ум.
Предположение Маклина о трехслойном мозге не осталось незамеченным и приобрело сторонников в научных кругах. Но позже ученые выяснили: гипотеза о трехслойном мозге — выдумка.
Согласно результатам современных исследований в области молекулярной генетики, у рептилий и всех млекопитающих есть нейроны, схожие с нейронами человека, — даже такие, как присутствуют в нашем «неокортексе». Мозг человека сформировался не из мозга рептилий, образовав дополнительные участки, отвечающие за эмоции и рациональное мышление. Произошло нечто более интересное. Мозг всех млекопитающих развивался по единому «производственному плану». Велика вероятность, что это верно и для мозга рептилий и других позвоночных животных. Вот только «производственный план» разворачивается поэтапно и у разных видов каждый из этапов проходит по-разному — у одних быстрее, у других медленнее. Что касается биологических «строительных материалов», то они у всех одинаковые.
3. Мозг — это сеть
Аристотель считал, что мозг создан для охлаждения сердца. Философы Средних веков думали, что там находится душа. А для специалистов по френологии, популярной в XIX веке, мозг был мозаикой, каждая часть которой отвечала за ту или иную черту человека. В наши дни полным-полно метафор, которыми пытаются объяснить работу мозга. Вы наверняка слышали, что левое полушарие отвечает за логическое мышление, а правое — за творческое. А еще что в мозгу якобы есть «система 1», обеспечивающая быструю, инстинктивную реакцию, и «система 2», предназначенная для более медленных процессов, сопровождаемых долгой мыслительной деятельностью.
Но самый точный ответ такой: мозг — это сеть, состоящая из 128 миллиардов нейронов, функционирующих как одна большая структура, приспосабливающаяся к изменениям.
Что же позволяет мозгу действовать как единая система? Если говорить обобщенно, то каждая нервная клетка выглядит как маленькое дерево с густыми ветвями наверху и длинным стволом и корнями внизу. Ветви — это дендриты, их задача — получать сигналы от других нервных клеток. «Ствол» — это аксон, он посылает импульсы от одного нейрона к другим посредством «корней». Ваши 128 миллиардов нейронов непрерывно, днем и ночью, взаимодействуют друг с другом. Когда нейрон начинает передавать сигнал, тот по «стволу» попадает в «корни», заставляя их выделять в пространство между нервными клетками — синапс — определенные вещества.
Затем эти вещества перемещаются через синапс к «ветвям» другого нейрона, побуждая его передавать полученный импульс дальше. Таким образом информация передается от одной нервной клетки другой. Дендриты, аксоны и синапсы объединяют наши 128 миллиардов нейронов в единую сеть, работающую постоянно.
4. Мозг ребенка нуждается в социальной среде
Нейронные связи в мозгу младенца формируются под влиянием тех, кто ухаживает за ним. Беря на руки и баюкая новорожденного, мы показываем ему свое лицо на близком расстоянии, и его мозг учится запоминать и распознавать черты разных людей. Показывая малышу коробки и конструкции, мы развиваем у него способность визуально различать края предметов. Есть и другие действия, которыми мы помогаем маленькому человеку постепенно адаптироваться к социальным нормам. Например, мы обнимаем его, разговариваем, когда происходит что-то важное, смотрим ему в глаза. Благодаря всему этому младенец поэтапно осваивает основы культуры, в которой растет, и его мозг постепенно формируется.
Маленький растущий мозг, чтобы нормально развиваться, нуждается в социальной среде. Если ее не будет, то развитие может пойти по неправильному пути.
Увы, всем нам хорошо известно, какими становятся дети, если в ранние годы жизни их мозг не подвергается воздействию социальных факторов. К несчастью, именно это однажды произошло в масштабе целой страны, что привело к печальным последствиям.
В 1960-е годы власть в Румынии объявила незаконными бóльшую часть всех способов контрацепции и аборты. Президент Николае Чаушеску стремился увеличить численность населения, чтобы за счет этого сделать страну более экономически развитой и занять лидирующие позиции среди остальных государств. Новый закон привел к всплеску рождаемости, но во многих семьях не хватало средств, чтобы обеспечивать появившихся на свет детей.
В результате сотни тысяч малышей были отправлены в детские дома, где столкнулись с ужасающе пренебрежительным отношением. Сестры и другие сотрудники только кормили детей, перепеленывали и клали обратно в кроватки. Всё. Никто не обнимал их, не играл с ними, не разговаривал, не пел им колыбельные и не учил правильно фокусировать внимание. Их игнорировали. В результате такого отношения у сирот с годами начали проявляться признаки умственной отсталости, им было трудно учиться говорить, они не могли сосредоточиться, постоянно отвлекались и с трудом контролировали свое поведение. В мозгу этих детей так и не сформировалась «проводка», необходимая для того, чтобы фокусировать восприятие, как свет прожектора.
5. Мозг предсказывает (почти) всё
Вспомните, когда вы в последний раз испытывали жажду и выпивали стакан воды. В течение нескольких секунд после того, как вы проглотили весь объем воды, жажда, скорее всего, ослабела. Вроде бы ничего удивительного, если бы не тот факт, что выпитая вами вода достигнет кровотока примерно через двадцать минут. Утолить жажду всего за несколько секунд попросту невозможно. Тогда почему же именно это вы и чувствуете? Потому что срабатывает прогнозирование.
Определенные нейроны мозга пытаются предугадать, что случится в ближайшем будущем, опираясь на память и происходящее сейчас.
Нейроны «объявляют» о выбранной версии будущих событий нервным клеткам, расположенным в других областях мозга. В этот «диалог» вклиниваются сенсорные данные, поступающие из окружающей среды и формирующиеся внутри тела, подтверждая (или нет) версию развития событий. Иногда информация, образовавшаяся внутри, начинает доминировать над тем, что происходит в реальности. Например, вы вдруг замечаете в толпе лицо кого-то из своих друзей, но потом понимаете, что на самом деле это незнакомый вам человек. Или чувствуете, как в кармане вибрирует телефон, хотя в действительности никакой вибрации нет.
По материалам книги «Семь с половиной уроков о мозге»
Свежие комментарии