Čak i fizičari ne razumiju kvantnu mehaniku? – Sean Carroll

Još gore, izgleda da ne žele da ju razumiju.

“Mislim da sa sigurnošću mogu reći da niko zapravo ne razumije kvantnu mehaniku”, primijetio je fizičar i nobelovac Richard Feynman. To nije iznenađujuće. Nauka postiže napredak suočavajući se s našim nedostatkom razumijevanja, a kvantna mehanika ima reputaciju posebno tajanstvene.

Ono što iznenađuje je da se čini da su se fizičari pomirili da ne shvataju najvažniju teoriju koju imaju.

Kvantna mehanika koju je postepeno razvijala grupa sjajnih umova tokom prvih decenija 20. vijeka neverovatno je uspješna teorija. Treba nam da objasnimo kako atomi propadaju, zašto zvijezde sjaju, kako djeluju tranzistori i laseri i, po tom pitanju, zašto su stolovi i stolice čvrsti, a ne da se odmah sruše na pod.


Naučnici mogu sa sigurnošću koristiti kvantnu mehaniku. Ali smatra se crnom kutijom. Možemo uspostaviti fizičku situaciju i predvidjeti što će se sljedeće dogoditi i provjeriti do spektakularne tačnosti. Ono što mi n tvrdimo jest da razumijemo kvantnu mehaniku. Fizičari ne razumiju bolje vlastitu teoriju nego što tipični korisnik pametnih telefona razumije šta se događa unutar uređaja.

Postoje dva problema. Jedan je da se čini da kvantna mehanika, onako kako je šifrirana u udžbenicima, zahtijeva zasebna pravila o tome kako se kvantni objekti ponašaju kada ih ne gledaju i kako se ponašaju kad ih promatraju. Kad se ne gledaju, postoje u “superpozicijama” različitih mogućnosti, kao što su na bilo kojem od različitih mjesta u prostoru. Ali kad pogledamo, oni odjednom zalaze na samo jedno mjesto, a ponekad i tamo gdje ih vidimo. Ne možemo da predviđamo tačno koja će biti lokacija; najbolje što možemo učiniti je izračunati vjerojatnost različitih ishoda.

Čitava stvar je bezumna. Zašto su promatranja posebna? Što se uopće smatra “opažanjem”? Kada se to tačno događa? Treba li ga obavljati osoba? Je li svijest uključena u osnovna pravila stvarnosti? Zajedno su ta pitanja poznata kao “problem mjerenja” kvantne teorije.

Drugi problem je što se ne slažemo oko toga što kvantna teorija zapravo opisuje, čak i kada ne vrši mjerenja. Mi opisujemo kvantni objekt kao što je elektron u smislu “talasne funkcije”, koji prikuplja superpoziciju svih mogućih mjerenja u jedan matematički objekt. Kada se ne promatra, valne funkcije razvijaju se prema poznatoj jednadžbi koju je napisao Erwin Schrödinger.

Ali što je valna funkcija? Je li to cjelovit i sveobuhvatan prikaz svijeta? Ili su nam potrebne dodatne fizičke veličine da bismo potpuno uhvatili stvarnost, s tim da su Albert Einstein i drugi suspendirani? Ili funkcija valova uopće nema izravnu vezu s stvarnošću, već samo karakterizira naše osobno neznanje o tome što ćemo na kraju mjeriti u svojim eksperimentima?




Sve dok fizičari definitivno ne odgovore na ta pitanja, stvarno ne mogu reći da razumiju kvantnu mehaniku – pa tako i Feynmanov lament. Što je loše, jer je kvantna mehanika najosnovnija teorija koju imamo, stojeći kvadratno u središtu svakog ozbiljnog pokušaja formuliranja dubokih prirodnih zakona. Ako nitko ne razumije kvantnu mehaniku, nitko ne razumije i Svemir.

Tada biste prirodno pomislili da bi razumijevanje kvantne mehanike bio apsolutno najveći prioritet među fizičarima širom svijeta. Istraživanje temelja kvantne teorije trebalo bi biti glamur specijalnosti unutar polja, privlačiti najsjajnije umove, najviše plate i najprestižnije nagrade. Fizičari, zamislite, ne bi se zaustavili ni pred čim dok ne bi istinski razumjeli kvantnu mehaniku.

Stvarnost je upravo obrnuta. Malo modernih odjela za fiziku ima istraživača koji rade na razumijevanju osnova kvantne teorije. Naprotiv, studenti koji pokazuju zanimanje za temu nežno su, ali čvrsto – možda i ne tako nježno – upućeni da šute i računaju. Profesori koji budu zainteresovani mogli bi vidjeti kako im se nova za istraživanje uskraćuje, njihove kolege zamjeraju im da su izgubili zanimanje za ozbiljan rad.

To traje od 1930-ih, kada su fizičari kolektivno odlučili da ono što je važno nije razumijevanje same kvantne mehanike; Ono što je važno bilo je korištenje skupa ad hoc kvantnih pravila za izradu modela čestica i materijala. Poduhvat razumjevanja se smatrao nejasno filozofskim i nepobitnim. Jednog se podsjeća na Ezopovu lisicu koja je odlučila da će grožđe koje ne može dohvatiti vjerojatno biti kiselo i ionako nije za poželjeti. Fizičari odgojeni u modernom sustavu pogledat će vam u oči i objasniti sa svom iskrenosti da zapravo nisu zainteresirani za razumijevanje kako priroda zaista djeluje; samo žele uspješno predvidjeti ishode eksperimenata.

Takav stav možemo pratiti do zore moderne kvantne teorije. Dvadesetih godina prošlog vijeka desila se serija poznatih rasprava između Einsteina i Nielsa Bohra, jednog od osnivača kvantne teorije. Ajnštajn je tvrdio da se suvremene verzije kvantne teorije podižu na nivo kompletne fizičke teorije i da bismo trebali pokušati dublje kopati. Ali Bohr se osjećao drugačije, inzistirajući na tome da je sve u redu. Mnogo akademsko suradnički i retorički uvjerljiviji od Ajnštajna, Bohr je ostvario odlučujuću pobjedu, barem u bitci za odnose s javnošću.

Nisu svi bili sretni što je Bohrov pogled prevladao, ali ti su se ljudi obično sputavali ili bili udaljeni s terena. Pedesetih godina prošlog vijeka fizičar David Bohm, kojeg je Einstein navodio, predložio je genijalan način dogradnje tradicionalne kvantne teorije kako bi se rješio problem mjerenja. Werner Heisenberg, jedan od pionira kvantne mehanike, odgovorio je etiketiranjem teorije “suvišnom ideološkom nadgradnjom”, a Bohmov bivši mentor Robert Oppenheimer namignuo je: “Ako ne možemo opovrgnuti Bohma, moramo se složiti da ga ignoriramo.”

Otprilike u isto vrijeme, diplomski student po imenu Hugh Everett izmislio je teoriju “mnogih svjetova”, još jedan pokušaj da se riješi problem s mjerenjima, samo da bi ga ismijavali Bohovi branitelji. Everett čak nije ni pokušao ostati u akademiji, okrećući se obrambenoj analizi nakon što je diplomirao.




Novije rješenje problema s mjerenjima koje su predložili fizičari Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini i Tulio Weber nepoznato je većini fizičara.

Ove ideje nisu jednostavno “tumačenja” kvantne mehanike. To su legitimno različite fizičke teorije, s potencijalno novim eksperimentalnim posljedicama. Ali njih je većina zanemarila. Godinama je vodeći časopis za fiziku vodio eksplicitnu politiku da se radovi o osnovama kvantne mehanike odbacuju.

Naravno, postoji beskonačan broj pitanja zbog kojih bi se naučnici mogli odlučiti brinuti i moraju prioritizirati. Tijekom 20. stoljeća fizičari su zaključili da je za kvantnu mehaniku važnije da radi nego shvatiti kako funkcionira. I da budem iskren, dio njihovog rezonovanja bio je da je teško zapravo vidjeti put prema naprijed. Koji su se eksperimenti mogli učiniti koji bi mogli rasvijetliti problem s mjerenjima?

Situacija možda mijenja, iako postepeno. Sadašnja generacija filozofa fizike kvantnu mehaniku shvaća vrlo ozbiljno i učinili su presudno važan posao unoseći konceptualnu jasnoću u polje. Empirijski misleći fizičari shvatili su da se fenomen mjerenja može direktno ispitati dovoljno suptilnim eksperimentima. I napredak tehnologije doveo je do pitanja o kvantnim računalima i kvantnim informacijama. Zajedno, ovi bi trendovi mogli još jednom respektabilno razmisliti o osnovama kvantne teorije, kao što je to bilo ukratko u danima Ajnštajna i Bora.

U međuvremenu se ispostavilo da stvarnost zapravo može biti važna. Naši najbolji pokušaji da razumijemo fundamentalnu fiziku postigli su nešto zamagljeno, stihirano pakošću iznenađujuće novih eksperimentalnih rezultata. Naučnici su otkrili Higgsov bozon 2012. godine, ali to je bilo predviđeno 1964. Gravitacijski talasi trijumfalno su primijećeni 2015., ali predviđali su se stotinu godina prije. Teško je postići napredak kada podaci samo potvrđuju teorije koje imamo, umjesto da upućuju na nove.

Problem je u tome što, unatoč uspjehu naših trenutnih teorija u fitovanju podataka, i dalje nisu konačni odgovor jer su interno nedosljedne. Gravitacija se ne uklapa u okvir kvantne mehanike kao što to čine naše druge teorije. Eventualno je moguće – možda čak i potpuno razumno – zamisliti da nam nesposobnost razumijevanja same kvantne mehanike stoji na putu.

Nakon gotovo jednog stoljeća pretvaranja da razumijevanje kvantne mehanike nije ključan zadatak za fizičare, ovaj izazov moramo shvatiti ozbiljno.

Izvor: nytimes.com. , Autor: Sean Carroll

Facebook Comments

Ostavite Vaš komentar

Sva Fizika
%d bloggers like this: