Из чего состоит реальность? Ответ на этот вопрос, вероятно, сокрыт в квантовой механике – разделе физики, который описывает Вселенную на уровне элементарных частиц и их взаимодействий друг с другом. Знакомство с квантовым миром следует начинать с фундаментальных безмассовых частиц – фотонов, которые способны вести себя и как частица и как волна (но не одновременно). Этот принцип известен как корпускулярно-волновой дуализм, а в его основе лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке их развитие представил физик-теоретик Макс Планк, а усилия Нильса Бора (еще одного основоположника квантовой механики) привели к постулированию принципа дополнительности, согласно которому решающим звеном наблюдаемой картины является наблюдатель. Если он измеряет свойства квантового объекта как частицы, то свет ведет себя как частица и наоборот. Но почему? И что поведение крохотных частиц говорит о нашей реальности?

Простое наблюдение явления неизбежно изменяет его

Дуализм и эффект наблюдателя

Днем рождения квантовой механики считается 14 декабря 1900 года. В этот день на заседании Берлинского физического общества будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввел понятие кванта – неделимой порции определенной величины (преимущественно энергии). Это фундаментальное открытие квантовых свойств теплового излучения положило начало многочисленным дискуссиям о природе света, который долгое время считался самой большой загадкой физики.

Широкое обсуждение свойств света в конечном итоге привело к формулировке принципа корпускулярно-волнового дуализма, а также эффекта наблюдателя. О последнем говорил еще в 1801 году Томас Юнг, после того, как провел свой знаменитый эксперимент.

Опыт Юнга – конструкция с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его целиком. Темные и светлые полосы, которые в результата эксперимента увидел Юнг, означали наличие у света интерференции – явления, при котором световые волны накладываются друг на друга и приводят к перераспределению интенсивности света.

Двухщелевой опыт демонстрирует, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как классических волн, так и частиц

В ходе работы Юнг обнаружил, что даже пассивное наблюдение за квантовыми объектами фактически может изменить результат измерения. Так миру явился эффект наблюдателя, причиной которого является двойственная природа элементарных частиц, а наше представление о реальности с тех самых пор буквально трещит по швам.

Квантовый друг

Итак, существование разнообразных объектов (и даже самой Вселенной) зависит от наблюдателя, что кажется безумием. Однако на квантовом уровне все действительно так – реальности не существует, если мы на нее не смотрим. В жизни все, разумеется, иначе – Луна, например, никуда не исчезнет если на нее не смотреть.

Частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно. Эту особенность физики называют квантовой суперпозицией.

В 1961 году физик Юджин Вигнер провел интересный мысленный эксперимент. Он хотел понять что произойдет если применить квантовую механику к наблюдателю, за которым наблюдают. Представим, что в закрытой лаборатории находится Вигнер и его друг, который подбрасывает квантовую монету. Каждый раз монета может упасть как орлом, так и решкой, а значит каждый раз ученые будут наблюдать определенный результат.

Кстати, парадокс Вигнера представай являет собой усложненный эксперимент кота Шредингера.

Позже, когда Вигнер и его друг сравнят записи, друг будет настаивать на том, что видел определенные результаты после каждого броска. Сам Вигнер, однако, не сможет с ним согласиться, так как наблюдал и друга и монету в суперпозиции.

Из этой головоломки следует, что реальность, воспринимаемая другом, не согласуется с реальностью Вигнера. Первое время физик не считал это большим парадоксом, утверждая, что описывать наблюдателя как квантовый объект попросту абсурдно. И все же со временем он поменял свою точку зрения.

Кстати, по мнению Эйнштейна квантовые состояния имеют собственную реальность вне зависимости от воздействия на них человека. Его коллега и оппонент, выдающийся физик Нильс Бор и вовсе считал, что предсказать ход дальнейших событий в квантовой реальности невозможно.

Формирует ли наблюдатель реальность?

Еще интереснее выглядят результаты работы, опубликованной в журнале Science Advances в 2019 году. В ней физики предположили, что объективной реальности не существует вовсе а также пришли к выводу, что в микромире атомов и частиц факты могут быть субъективными, а наблюдатели – могущественными. Интересно, что игнорировать эффект наблюдателя нельзя, так как это может привести к ошибкам в экспериментах на макроскопическом уровне, где квантовые эффекты попросту не будут заметны.

Что такое реальность?

Сегодня целый ряд научных теорий предполагает, что существование тех или иных объектов и даже самой Вселенной зависит исключительно от наблюдателя. К такому выводу недавно пришли физики из Австралийского национального университета, изложив полученные результаты в научном журнале Nature Physics.

Но противоречия на этом не заканчиваются. Так, результаты еще одной научной работы, опубликованной в 2022 году показали, что реальность существует вне нашего сознания и изменить ее мы не можем. В то же самое время физики из Федерального университета ABC (UFABC) в Бразилии предположили, что реальность существует “в глазах наблюдателя”. К такому выводу ученые пришли разработав математическую структуру, которая позволяет понять природу принципа дополнительности в результате изучения физической реальности.

Что такое реальность? И зависит ли ответ на этот вопрос от наблюдателя?

Наш главный вывод заключается в том, что физическая реальность в квантовом мире состоит из взаимоисключающих факторов, которые дополняют друг друга, – объясняют авторы научной работы.

В работе, опубликованной в журнале Communications Physics, исследователи также приводят слова знаменитого физика Ричарда Фейнмана: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, то вы точно ее не понимаете».

Парадоксально, но странность, присущая этому разделу физики, может оказаться полезной наряду с развитием квантовых технологий, таких как компьютеры, датчики и тепловые устройства. И так как мы вступаем в новую, квантовую эпоху, многое о природе реальности еще предстоит узнать. В конечном итоге квантовая механика полна таинственных явлений.

Квантовая механика – фундаментальная физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, частиц)

Словом, будущее нас ждет интересное. И так как свет может вести себя и как волна и как частица в зависимости от контекста, он по-прежнему остается одной из самых интригующих и красивых загадок квантовой механики. Увы, но на сегодняшний день единого ответа на вопрос о том, из чего состоит реальность и может ли она существовать без/с наблюдателем нет.

И если вы окончательно не запутались, рекомендуем обратить внимание на феномен, при котором квантовые состояния двух или более объектов оказываются взаимозависимыми. Заинтригованы? Тогда вам сюда!