Może nigdy nie poznamy uniwersalnej funkcji falowej
VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
Z punktu widzenia fizyki kwantowej, wszechświat może w pewnym sensie być fundamentalnie niepoznawalny.
W fizyce kwantowej każdy obiekt, taki jak elektron, jest dopasowany do formuły matematycznej nazywanej funkcją falową. Funkcja falowa zakodowuje wszystkie szczegóły stanu kwantowego obiektu, co oznacza, że fizycy mogą przewidzieć, co obiekt może zrobić w eksperymencie, łącząc jego funkcję falową z innymi równaniami.
Ale jeśli zaakceptujemy, że cały świat jest kwantowy – co wielu badaczy uważa – to znacznie większe obiekty powinny mieć funkcje falowe, w tym cały wszechświat. Jest to punkt widzenia, który był wcześniej brany pod uwagę przez takie sławy fizyki jak Stephen Hawking.
Teraz jednak Eddy Keming Chen z Uniwersytetu Kalifornijskiego, San Diego, i Roderich Tumulka z Uniwersytetu w Tübingen w Niemczech udowodnili, że pełna wiedza na temat tej uniwersalnej funkcji falowej może być w zasadzie nieosiągalna.
„Funkcja falowa wszechświata jest jak kosmiczny sekret, który samo fizyka zawiódł zachować. Możemy wiedzieć ogromnie dużo o tym, jak zachowuje się wszechświat, ale wciąż pozostajemy fundamentalnie niepewni, w jakim stanie kwantowym się znajduje” – mówi Chen.
Poprzednie badania postulowały formę uniwersalnej funkcji falowej na podstawie modeli teoretycznych kosmosu i nie zajmowały się bezpośrednio tym, jaką rolę mogłyby odgrywać eksperymenty i obserwacje w określeniu jej szczegółów. Chen i Tumulka zaczęli od bardziej pragmatycznego pytania: czy dane zbiory funkcji falowych mogą sensownie reprezentować nasz wszechświat, a obserwacje pozwalają badaczom wybrać tę poprawną?
Para zaczęła od wyników matematycznych z mechaniki kwantowej statystycznej, która bada właściwości zbiorów stanów kwantowych. Innym składnikiem ich obliczeń był fakt, że uniwersalna funkcja falowa wymagałaby bardzo dużej liczby parametrów lub istniała w stanie abstrakcyjnym o wielu wymiarach.
Uderzające jest to, że po wykonaniu obliczeń zespół musiał dojść do wniosku, że uniwersalny stan kwantowy jest w zasadzie niepoznawalny.
„Jakiekolwiek pomiar dopuszczalny według zasad mechaniki kwantowej da nam bardzo ograniczoną informację o funkcji falowej wszechświata. Jest niemożliwe określenie funkcji falowej wszechświata z jakąkolwiek użyteczną dokładnością” – mówi Tumulka.
JB Manchak z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, mówi, że ta praca pomaga nam lepiej zrozumieć ograniczenia naszych najlepszych metod empirycznych i ma już swoich odpowiedników w ogólnej teorii względności – teorii grawitacji Alberta Einsteina. Tymczasem może to nie być zaskakujące, ponieważ teoria kwantowa nigdy nie została stworzona jako teoria dla kosmicznie wielkich skal – twierdzi Manchak.
„Funkcja falowa, małego systemu lub całego wszechświata, jest raczej byt teoretyczny. Funkcje falowe są istotne, nie dlatego, że je widzimy, ale dlatego, że z nich korzystamy” – mówi Sheldon Goldstein z Uniwersytetu Rutgers w New Jersey. Twierdzi, że oznacza to, że może nie być problemem to, że nie jesteśmy w stanie wybrać jednej najbardziej dokładnej uniwersalnej funkcji falowej z wąskiego zestawu kandydatów, ponieważ dowolna z funkcji falowych w zestawie może mieć podobny efekt podczas dalszych obliczeń.
Chen mówi, że teraz on i Tumulka chcą połączyć swoją pracę z dużymi systemami, które są mniejsze niż cały wszechświat, a zwłaszcza z badaniami nad takimi technikami jak „tomografia cieniowa”, które są stosowane do określenia stanów kwantowych takich systemów. Ale ważne są także filozoficzne implikacje tej pracy. W szczególności badacze powinni traktować to jako ostrzeżenie, aby nie zbyt polegać na myśleniu pozytywistycznym, czyli przekonaniu, że oświadczenie jest pozbawione znaczenia lub nie jest naukowe, jeśli nie można go zweryfikować eksperymentalnie – mówi Tumulka. „Pewne rzeczy faktycznie istnieją tam na zewnątrz w rzeczywistości, ale nie możemy ich zmierzyć” – dodaje.
Ta rozumowanie może również wpływać na odwieczną debatę nad sensownością mechaniki kwantowej, twierdzi Emily Adlam z Uniwersytetu Chapman w Kalifornii. Jej zdaniem, nowy wynik można postrzegać jako motywację do większego wartościowania interpretacji równań kwantowych, takich jak funkcja falowa, które podkreślają relacje między obiektami kwantowymi a perspektywą każdego obserwatora, zamiast zakładać jedno obiektywne spojrzenie na rzeczywistość skodyfikowane przez jeden matematyczny obiekt.
Tematy:
