Квантова суперпозиція: чи існують частинки в кількох місцях одночасно

Фізик Марсело Глейзер каже, що на обличчях студентів завжди з'являється «вираз обурення», коли вони вперше дізнаються про квантову суперпозицію. Він викладає квантову механіку — теорію, що керує мікроскопічним світом атомів і частинок, уже десятиліттями, і розгубленість його студентів неминуче виникає саме тоді, коли він доходить до частини про те, що квантові об'єкти ніби перебувають у кількох місцях одночасно.

Проблема полягає в тому, що слова на кшталт «ніби» з'являються дуже часто навколо цієї теми. Справді, за століття або близько того з моменту появи ідеї суперпозиції її справжнє значення залишається спірним. Єдине, з чим погоджуються фізики, це те, що вона веде нас до серця того, що означає для чогось бути «реальним».

Гарним місцем для початку є рівняння Шредінгера. Розроблене Ервіном Шредінгером у 1920-х роках, воно є наріжним каменем квантової теорії, що говорить нам про ймовірність знаходження частинки в певному стані, коли ми її вимірюємо. Суть у тому, що квантова механіка займається передбаченням результату ситуації — вона нічого конкретного не говорить про те, що робила частинка до того, як її виміряли.

Однак рівняння Шредінгера працює, описуючи всі можливі місця, де частинка могла б бути до її вимірювання, використовуючи математичний апарат, відомий як хвильова функція. Це дає нам одне математичне визначення суперпозиції: це сума різних можливих квантових станів.

Ми точно знаємо, що частинки можуть існувати в суперпозиції. У експерименті з подвійною щілиною, наприклад, один фотон — частинка світла — випускається в напрямку решітки з двома вузькими щілинами перед екраном. Якщо детектор спостерігає, фотон «вибере» одну щілину і потрапить у конкретну точку на екрані. Але якщо детектора немає, на екрані з'явиться «інтерференційна картина», що свідчить про те, що частинка поводилася як хвиля і пройшла через обидві щілини одночасно, взаємодіючи сама з собою.

Те, чого ми не знаємо напевно, це що означає «перебування в суперпозиції». Загалом існує дві точки зору. Одна каже, що хвильова функція є корисним математичним інструментом і не більше. Саме до цього схиляється Глейзер, який працює в Дартмутському коледжі в Нью-Гемпширі. «Ніщо у формалізмі квантової механіки не говорить нам, що хвильова функція повинна бути частиною фізичної реальності», — каже він. «Віра в математику як істину стає схожою на культ».

Глейзер підтримує інтерпретацію квантової механіки, яка називається квантовий байєсіанізм або QBism, яка стверджує, що теорія не описує реальність як таку, а радше те, що ми про неї знаємо. Зрештою, те, що змінюється, коли ми вимірюємо квантовий стан, це наша інформація про нього, а не сама реальність.

Але є табір, який категорично заперечує цю точку зору. Саймон Сондерс, філософ з Оксфордського університету, вірить, що хвильова функція реальна. Для нього частинка в суперпозиції фізично перебуває в більш ніж одному місці одночасно. «Це протяжний об'єкт», — каже він. «Він делокалізований». Згідно з цією перспективою, ми повинні прийняти, що світ частинок не має жодної схожості з реальністю, яку ми переживаємо. Електрони, що обертаються навколо атома, наприклад, існують як хмара ймовірності до того, як ми їх виміряємо.

Критики цієї позиції часто запитують, що відбувається з тими іншими можливостями, коли вимірювання «защіпує» частинку в одному місці. Сондерс готовий прийняти радикальну відповідь, що всі вони проявляються у своїй власній гілці нескінченного мультивсесвіту.

Розв'язання цього питання не прийде найближчим часом. Тим часом дослідники пішли далеко за межі розміщення окремих частинок у суперпозицію — це було досягнуто для великих молекул і навіть для кристала вагою 16 мікрограмів. Якщо це нам щось говорить, то те, що реальність набагато дивніша, ніж здається.

Дебати про природу квантової суперпозиції торкаються фундаментальних питань про природу реальності. Чи є математичні описи квантової механіки просто інструментами для передбачення результатів експериментів, чи вони відображають щось глибше про структуру всесвіту? Це питання залишається одним з найбільш захоплюючих і суперечливих у сучасній фізиці.

Експерименти продовжують розширювати межі того, що можна помістити в суперпозицію. Від окремих фотонів до складних молекул і навіть макроскопічних об'єктів, вчені демонструють, що квантові ефекти можуть проявлятися на все більших масштабах. Це ставить під сумнів наше інтуїтивне розуміння того, де закінчується квантовий світ і починається класичний.

Філософські наслідки цих відкриттів є глибокими. Якщо частинки справді можуть перебувати в кількох станах одночасно, це кидає виклик нашому базовому розумінню того, що означає існувати. Можливо, реальність на найфундаментальнішому рівні є набагато більш гнучкою і дивною, ніж ми можемо собі уявити.

Водночас практичні застосування квантової суперпозиції вже змінюють технології. Квантові комп'ютери використовують суперпозицію для виконання обчислень, які були б неможливими для класичних комп'ютерів. Квантова криптографія обіцяє абсолютно безпечний зв'язок, використовуючи принципи квантової механіки.

Незважаючи на ці досягнення, основне питання залишається: що насправді відбувається з частинкою в суперпозиції? Чи вона справді перебуває в кількох місцях одночасно, чи це просто обмеження нашого знання? Відповідь на це питання може кардинально змінити наше розуміння природи реальності та нашого місця у всесвіті.