Теорія квантової механіки добре підкріплена експериментами. Однак тепер уявний експеримент фізиків ETH дає несподівані протиріччя. Ці результати порушують деякі фундаментальні питання - і поділяють думки експертів.
Ймовірно, немає іншої наукової теорії, яка так само добре підтримується, як квантова механіка. Протягом майже 100 років вона неодноразово підтверджувалася високоточними експериментами, але фізики все ще не зовсім задоволені.
Хоча квантова механіка дуже точно описує події на мікроскопічному рівні, вона має проблеми з більш великими об'єктами - особливо об'єктами, для яких сили тяжкості відіграє роль. Квантова механіка не може описати поведінку планет, яка залишається областю загальної теорії відносності.
Ця теорія, у свою чергу, не може правильно описати дрібномасштабні процеси. Тому багато фізиків мріють об'єднати квантову механіку з теорією відносності, щоб сформувати послідовний світогляд.
До більших об'єктів
Хоча обидві теорії дуже точно описують фізичні процеси в своїх областях, вони сильно розрізняються. Як їх можна комбінувати? Одна з можливостей полягає в проведенні експериментів з квантової фізики з все більш великими об'єктами в надії на те, що в кінцевому підсумку виникнуть невідповідності, які вкажуть на можливі рішення.
Але фізики повинні працювати у важких умовах. Наприклад, відомий експеримент, який може бути використаний для того, щоб показати, що тверді частинки одночасно ведуть себе подібно до хвиль, не може бути виконаний зі звичайними об'єктами.
З іншого боку, експерименти з мисленням можуть бути використані для подолання меж макроскопічного світу. Ренато Реннер, професор теоретичної фізики, і його помічник Даніела Фраушигер провели такий уявний експеримент і опублікували в Nature Communications.
Грубо кажучи, у своєму подумковому експерименті вони розглядають гіпотетичного фізика, що вивчає квантовомеханічний об'єкт, а потім використовують квантову механіку для обчислення того, що спостерігає цей фізик. Згідно з нашим нинішнім світоглядом, це непряме спостереження має дати той же результат, що і пряме спостереження, але розрахунки показують, що це не так. Передбачення того, що фізик буде спостерігати, прямо протилежне тому, що буде виміряно безпосередньо, створюючи парадоксальну ситуацію.
Немає простих рішень
Хоча мислений експеримент тільки зараз офіційно публікується в науковому журналі, він вже став предметом обговорення серед експертів. Оскільки процес публікації неодноразово затримувався, інші публікації вже звертаються до його висновків - це вже парадоксальна ситуація, зазначає Реннер.
Найбільш поширена початкова реакція його колег в цій області - піддати сумніву розрахунки, говорить Реннер, але поки ніхто не зміг їх спростувати. Один рецензент визнав, що він зробив п'ять спроб знайти помилку в розрахунках - і все без успіху. Інші колеги представили конкретні пояснення того, як можна дозволити парадокс. Однак при найближчому розгляді вони завжди виявлялися спеціальними рішеннями, які насправді не усувають проблему.
Дивовижні висновки
Реннер вважає чудовим, що це питання явно поляризує людей. Він з подивом зауважив, що деякі з його колег дуже емоційно відреагували на його висновки - ймовірно, через те, що два очевидних висновки з отриманих результатів рівною мірою спантеличують.
Одне з пояснень полягає в тому, що квантова механіка, мабуть, не є, як вважалося раніше, універсально застосовною і, отже, не може бути застосована до великих об'єктів. Але як теорія може бути суперечливою, якщо вона неодноразово так чітко підтверджувалася експериментами? Інше пояснення полягає в тому, що фізика, як і політика, страждає від відсутності чітких фактів, і що є інші можливості, крім того, що ми вважаємо правдою.
Реннер зазнає труднощів з обома цими інтерпретаціями. Він швидше вважає, що парадокс буде дозволений якимось іншим чином: «Коли ми озираємося на історію, в такі моменти рішення часто приходило з несподіваного напрямку», - пояснює він. Загальна Теорія Відносності, наприклад, яка вирішила суперечності в ньютонівській фізиці, заснована на усвідомленні того, що поняття часу, як воно зазвичай розумілося в той час, було неправильним.
"Наша робота зараз полягає в тому, щоб вивчити, чи передбачає наш уявний експеримент речі, які не повинні передбачатися в цій формі", - говорить Реннер. "І хто знає, можливо, нам доведеться ще раз переглянути нашу концепцію простору і часу. Тільки коли ми принципово переосмислюємо існуючі теорії, ми отримуємо більш глибоке розуміння того, як природа дійсно працює ".