Всеки има някой любим трик, който винаги върши работа, но не винаги е ясно защо.

Навремето телевизорите често понасяха физически удари, които "оправяха" картината. Днес някои хора твърдят, че ако изключат компютъра си и го включат отново, проблемите им се оправят.   

Квантовата механика, която е може би най-успешната и важна теория в съвременната физика, е именно такъв "трик". Тя работи чудесно, обяснявайки много неща - от лазерите и химията до бозона на Хигс и стабилността на материята, но физиците не знаят защо.

Или поне не са единодушни, пише списание Nature.

Уникалната характеристика на квантовата теория е, че начинът, по който описваме физическите системи, е различен от това, което виждаме, когато ги наблюдаваме.

Поради това правилата на учебника по квантова механика трябва да се позовават на специални процеси, за да опишат „измерване“ или „наблюдение“, за разлика от всяка предишна научна рамка. 

Във физиката няма консенсус защо това е така или какво изобщо означава. Първите намеци за квантово поведение в природата идват в трудовете на физиците Макс Планк през 1900 г. и Алберт Айнщайн през 1905 г.

Те показват, че някои свойства на светлината могат да бъдат обяснени най-добре, ако си представим, че тя идва в отделни, подобни на частици парчета, а не като гладките вълни, които класическият електромагнетизъм изобразява. 

Техните идеи обаче не успяват да опишат пълна и стройна теория. Немският физик Вернер Хайзенберг е човекът, който през 1925 г. за първи път представя цялостна версия на квантовата механика.

По-късно същата година Макс Борн и Паскуал Джордан продължават неговите трудове, а Ервин Шрьодингер създава своя независима формулировка. Така че е справедливо 2025 г. да бъде отбелязана като истинската 100-годишнина на квантовата теория.  

Откъсване от миналото

Откакто Исак Нютон формулира класическата механика през 17-и век, теориите на физиката следват определен модел. Имате система, която разглеждате - планета, обикаляща около звезда, електрическо поле, кутия с газ или нещо друго. 

Във всеки един момент системата се описва чрез нейното "състояние", което включва както текущата ѝ конфигурация, така и скоростта на евентуалните промени. За една безхарактерна единична частица това се равнява на нейната позиция и скорост (или, еквивалентно, импулс).

След това има уравнения на движение, които показват как ще се развие системата, като се има предвид сегашното ѝ състояние. Тази основна рецепта работи за всичко - от Нютоновата гравитация до теориите на относителността на Айнщайн, които, подобно на квантовата теория, са продукт от началото на 20-и век.

Но с появата на квантовата механика тази рецепта изведнъж се провали.

Провалът на класическата парадигма може да се проследи до една единствена, провокативна концепция - измерването. Значението на идеята и практиката на измерване се признава от всички, но в предквантовите теории основната концепция се приемаше за даденост.

Ако сте небрежен експериментатор, може да имате значителни грешки в измерването или дори неволно да проментите системата, докато я измервате, но това не са неизбежни характеристики на самата физика.

Ако се стараеш повече, можеш да измерваш нещата толкова деликатно и прецизно, колкото искаш, поне що се отнася до законите на физиката.

Частици, които се променят, когато ги наблюдаваме

Квантовата механика разказва съвсем различна история. Докато в класическата физика всяка частица има реална, обективна позиция и импулс във всеки даден момент, в квантовата механика тези количества, като цяло, не съществуват по никакъв обективен начин преди самото измерване или наблюдение. 

Позицията и инерцията са неща, които могат да се наблюдават, но те не са предварително съществуващи факти. Това е голяма разлика. Най-яркото следствие от тази ситуация е принципът на неопределеността на Хайзенберг, въведен през 1927 г., който казва, че няма състояние, в което един електрон може да бъде, за което да може перфектно да се предвидят неговата позиция и инерция.

Вместо това, квантовата теория описва състоянието на системата от гледна точка на вълнова функция - концепция, въведена от Шрьодингер през 1926 г., заедно с неговото едноименно уравнение, което описва как системата се променя с течение на времето.  

Проблемът идва от връзката между вълновата функция и наблюдаваните величини. Отговорът е предложен от Борн скоро след оригиналната статия на Шрьодингер. 

Според интерпретацията на Борн, ние никога не можем точно да предвидим резултата от квантово измерване. Вместо това можем да определим вероятността да получим някакъв конкретен резултат за позицията на електрона, да речем, като изчислим квадрата на вълновата функция в тази позиция.

Тази рецепта напълно преобръща идеала за "детерминистична вселена с часовников механизъм", която господства още от времето на Нютон.

Впечатляващо е колко бързо някои физици успяват да приемат тази промяна - някои, но не всички. Светила, като Айнщайн и Шрьодингер, съвсем не са доволни от новия квантов консенсус. Те смятали, че новите правила трябва да са само стъпало към една още по-всеобхватна теория. 

Така че физиците не са съгласни какво точно представлява едно измерване, дали вълновите функции представляват физическа реалност, дали има физически променливи в допълнение към вълновата функция и дали самата функция винаги се подчинява на уравнението на Шрьодингер. 

Нужно ли е да я разбираме, за да работи?

Въпреки всичко това, съвременната квантова механика дава някои от най-прецизно проверените прогнози в цялата наука, като съгласието между теорията и експеримента се простира до много знаци след десетичната запетая. 

Теорията на релативистките квантови полета, която е в основата на цялата съвременна физика на елементарните частици, трябва да се причисли към най-големите успехи на квантовата механика. 

Според теорията за космологичното разширение, произходът на звездите и галактиките може дори да бъде проследен до малки квантови вариации в плътността на ранната Вселена. 

Но въпреки всичките си успехи, квантовата теория има свои собствени пъзели. Един от най-ярките примери е свързан с трудността да се конструира фундаментална квантова теория за гравитацията и изкривяването на пространството и времето.

Междувременно, безбройните проявления на квантовата теория продължават да намират приложение във все по-голям реални технологии. Квантовата химия открива пътища в проектирането на съвременни фармацевтични продукти, екзотични материали и съхранение на енергия.

Квантовата метрология и сензорите позволяват измервания на физически величини с безпрецедентна прецизност, включително и откриването на малкото люлеене на махало, причинено от преминаваща гравитационна вълна, генерирана от черна дупка на един милиард светлинни години разстояние.

И, разбира се, квантовите компютри, които обещават да извършват изчисления със скорости, които биха били невъзможни, ако светът се движи според класическите принципи на физиката.

Всичко това се случва без да има пълно съгласие или разбиране за това как, всъщност, работи квантовата механика в основата си. В исторически план напредъкът в технологиите често е улеснявал — или дори налагал — подобрения в това разбиране.

Ние непрекъснато измисляме нови начини да ударим телевизора, наречен реалност, оставайки оптимисти, че размитата картина, в крайна сметка, ще попадне на фокус, пише още изданието.

Новините на Darik Business Review във Facebook , Instagram , LinkedIn и Twitter !