Η Κβαντική Θεωρία ανακατασκευάστηκε από Απλές Φυσικές Αρχές
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την κβαντική θεωρία για σχεδόν έναν αιώνα τώρα, αλλά δυστυχώς δεν γνωρίζουν ακόμα τι σημαίνει. Μια άτυπη δημοσκόπηση που έγινε σε ένα συνέδριο του 2011 για την Κβαντική Φυσική και τη Φύση της Πραγματικότητας έδειξε ότι δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση σχετικά με το τι λέει η κβαντική θεωρία για την πραγματικότητα — οι συμμετέχοντες παρέμειναν βαθιά διχασμένοι σχετικά με τον τρόπο ερμηνείας της θεωρίας.
Μερικοί φυσικοί απλώς σηκώνουν τους ώμους και λένε ότι πρέπει να ζήσουμε με το γεγονός ότι η κβαντική μηχανική είναι περίεργη. Άρα τα σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα ή να επικοινωνούν ακαριαία σε τεράστιες αποστάσεις; Ξεπέρασέ το. Τελικά η θεωρία λειτουργεί καλά. Εάν θέλετε να υπολογίσετε τι θα αποκαλύψουν τα πειράματα σχετικά με τα υποατομικά σωματίδια, τα άτομα, τα μόρια και το φως, τότε η κβαντομηχανική πετυχαίνει θαυμάσια.
Αλλά ορισμένοι ερευνητές θέλουν να σκάψουν βαθύτερα. Θέλουν να μάθουν γιατί η κβαντική μηχανική έχει τη μορφή που έχει, και ασχολούνται με ένα φιλόδοξο πρόγραμμα για να το ανακαλύψουν. Ονομάζεται κβαντική ανασυγκρότηση και ισοδυναμεί με την προσπάθεια να ξαναχτίσουμε τη θεωρία από την αρχή με βάση μερικές απλές αρχές.
Εάν αυτές οι προσπάθειες επιτύχουν, είναι πιθανό όλη η φαινομενική παραδοξότητα και η σύγχυση της κβαντικής μηχανικής να λιώσει και να καταλάβουμε επιτέλους αυτό που προσπαθεί να μας πει η θεωρία. «Για μένα, ο απώτερος στόχος είναι να αποδείξω ότι η κβαντική θεωρία είναι η μόνη θεωρία όπου οι ατελείς εμπειρίες μας επιτρέπουν να χτίσουμε μια ιδανική εικόνα του κόσμου», δήλωσε ο Giulio Chiribella, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ.
Δεν υπάρχει καμία εγγύηση επιτυχίας - καμία διαβεβαίωση ότι η κβαντομηχανική έχει πράγματι κάτι απλό και απλό στην καρδιά της, παρά την περίεργη συλλογή μαθηματικών εννοιών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Αλλά ακόμα κι αν οι προσπάθειες κβαντικής ανασυγκρότησης δεν ολοκληρωθούν, μπορεί να υποδεικνύουν τον δρόμο προς έναν εξίσου δελεαστικό στόχο:να ξεπεράσουμε την ίδια την κβαντική μηχανική σε μια ακόμη βαθύτερη θεωρία. "Νομίζω ότι μπορεί να μας βοηθήσει να προχωρήσουμε προς μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας", δήλωσε ο Lucien Hardy, θεωρητικός φυσικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά.
The Flimsy Foundations of Quantum Mechanics
Η βασική προϋπόθεση του παιχνιδιού κβαντικής ανακατασκευής συνοψίζεται στο αστείο για τον οδηγό που, χαμένος στην επαρχία της Ιρλανδίας, ρωτά έναν περαστικό πώς να φτάσει στο Δουβλίνο. «Δεν θα ξεκινούσα από εδώ», έρχεται η απάντηση.
Πού είναι, στην κβαντομηχανική, το «εδώ»; Η θεωρία προέκυψε από προσπάθειες να κατανοηθεί πώς τα άτομα και τα μόρια αλληλεπιδρούν με το φως και άλλες ακτινοβολίες, φαινόμενα που η κλασική φυσική δεν μπορούσε να εξηγήσει. Η κβαντική θεωρία είχε εμπειρικά κίνητρα και οι κανόνες της ήταν απλώς αυτοί που φαινόταν να ταιριάζουν με αυτό που παρατηρήθηκε. Χρησιμοποιεί μαθηματικούς τύπους που, αν και δοκιμασμένοι και αξιόπιστοι, ουσιαστικά ανασύρθηκαν από το καπέλο από τους πρωτοπόρους της θεωρίας στις αρχές του 20ου αιώνα.
Πάρτε την εξίσωση του Erwin Schrödinger για τον υπολογισμό των πιθανοτικών ιδιοτήτων των κβαντικών σωματιδίων. Το σωματίδιο περιγράφεται από μια «συνάρτηση κύματος» που κωδικοποιεί όλα όσα μπορούμε να γνωρίζουμε για αυτό. Είναι βασικά μια κυματοειδής μαθηματική έκφραση, που αντικατοπτρίζει το γνωστό γεγονός ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορεί μερικές φορές να φαίνεται να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Θέλετε να μάθετε την πιθανότητα το σωματίδιο να παρατηρηθεί σε ένα συγκεκριμένο μέρος; Απλώς υπολογίστε το τετράγωνο της συνάρτησης κύματος (ή, για την ακρίβεια, έναν ελαφρώς πιο περίπλοκο μαθηματικό όρο) και από αυτό μπορείτε να συμπεράνετε πόσο πιθανό είναι να ανιχνεύσετε το σωματίδιο εκεί. Η πιθανότητα μέτρησης ορισμένων από τις άλλες παρατηρήσιμες ιδιότητές του μπορεί να βρεθεί με, χονδρικά μιλώντας, την εφαρμογή μιας μαθηματικής συνάρτησης που ονομάζεται τελεστής στη συνάρτηση κύματος.
Αλλά αυτός ο λεγόμενος κανόνας για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων ήταν στην πραγματικότητα απλώς μια διαισθητική εικασία του Γερμανού φυσικού Max Born. Το ίδιο ήταν και η ίδια η εξίσωση του Schrödinger. Κανένα από τα δύο δεν υποστηρίχθηκε από αυστηρή παραγωγή. Η κβαντομηχανική φαίνεται σε μεγάλο βαθμό κατασκευασμένη από αυθαίρετους κανόνες όπως αυτός, μερικοί από αυτούς - όπως οι μαθηματικές ιδιότητες των τελεστών που αντιστοιχούν σε παρατηρήσιμες ιδιότητες του συστήματος - μάλλον απόκρυφες. Είναι ένα περίπλοκο πλαίσιο, αλλά είναι επίσης ένα ad hoc συνονθύλευμα, χωρίς προφανή φυσική ερμηνεία ή αιτιολόγηση.
Συγκρίνετε αυτό με τους βασικούς κανόνες ή αξιώματα της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία ήταν τόσο επαναστατική όσο και η κβαντική μηχανική. (Ο Αϊνστάιν τα εκτόξευσε και τα δύο, μάλλον ως εκ θαύματος, το 1905.) Πριν από τον Αϊνστάιν, υπήρχε μια ακατάστατη συλλογή εξισώσεων για να περιγράψει πώς συμπεριφέρεται το φως από την οπτική γωνία ενός κινούμενου παρατηρητή. Ο Αϊνστάιν διέλυσε τη μαθηματική ομίχλη με δύο απλές και διαισθητικές αρχές:ότι η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή και ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για δύο παρατηρητές που κινούνται με σταθερή ταχύτητα ο ένας σε σχέση με τον άλλο. Παραχωρήστε αυτές τις βασικές αρχές και ακολουθεί η υπόλοιπη θεωρία. Όχι μόνο είναι απλά τα αξιώματα, αλλά μπορούμε να δούμε αμέσως τι σημαίνουν από φυσική άποψη.
Ποιες είναι οι ανάλογες δηλώσεις για την κβαντομηχανική; Ο διαπρεπής φυσικός John Wheeler υποστήριξε κάποτε ότι αν καταλάβαμε πραγματικά το κεντρικό σημείο της κβαντικής θεωρίας, θα μπορούσαμε να το εκφράσουμε με μια απλή πρόταση που θα μπορούσε να καταλάβει ο καθένας. Εάν υπάρχει μια τέτοια δήλωση, ορισμένοι κβαντικοί ανακατασκευαστές υποψιάζονται ότι θα τη βρούμε μόνο ανοικοδομώντας την κβαντική θεωρία από την αρχή:σκίζοντας το έργο των Bohr, Heisenberg και Schrödinger και ξεκινώντας ξανά.
Κβαντική ρουλέτα
Μία από τις πρώτες προσπάθειες κβαντικής ανακατασκευής έγινε το 2001 από τον Χάρντι, τότε στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Αγνόησε όλα όσα συνήθως συνδέουμε με την κβαντική μηχανική, όπως τα κβαντικά άλματα, η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου και η αβεβαιότητα. Αντίθετα, ο Χάρντι εστίασε στην πιθανότητα:συγκεκριμένα, τις πιθανότητες που συσχετίζουν τις πιθανές καταστάσεις ενός συστήματος με την πιθανότητα παρατήρησης κάθε κατάστασης σε μια μέτρηση. Ο Χάρντι διαπίστωσε ότι αυτά τα γυμνά οστά ήταν αρκετά για να πάρουν ξανά όλα αυτά τα γνωστά κβαντικά πράγματα.
Ο Hardy υπέθεσε ότι οποιοδήποτε σύστημα μπορεί να περιγραφεί από κάποια λίστα ιδιοτήτων και τις πιθανές τιμές τους. Για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός πεταμένου νομίσματος, οι βασικές τιμές μπορεί να είναι αν έρχεται προς τα πάνω ή τις ουρές. Έπειτα εξέτασε τις δυνατότητες για οριστική μέτρηση αυτών των τιμών σε μία μόνο παρατήρηση. Μπορεί να πιστεύετε ότι οποιαδήποτε διακριτή κατάσταση οποιουδήποτε συστήματος μπορεί πάντα να διακρίνεται αξιόπιστα (τουλάχιστον κατ 'αρχήν) με μια μέτρηση ή παρατήρηση. Και αυτό ισχύει για τα αντικείμενα στην κλασική φυσική.
Στην κβαντομηχανική, ωστόσο, ένα σωματίδιο μπορεί να υπάρχει όχι μόνο σε διακριτές καταστάσεις, όπως οι κεφαλές και οι ουρές ενός νομίσματος, αλλά σε μια λεγόμενη υπέρθεση — χονδρικά μιλώντας, ένας συνδυασμός αυτών των καταστάσεων. Με άλλα λόγια, ένα κβαντικό bit, ή qubit, μπορεί να είναι όχι μόνο στη δυαδική κατάσταση του 0 ή του 1, αλλά σε μια υπέρθεση των δύο.
Αλλά αν κάνετε μια μέτρηση αυτού του qubit, θα έχετε μόνο αποτέλεσμα 1 ή 0. Αυτό είναι το μυστήριο της κβαντικής μηχανικής, που συχνά αναφέρεται ως κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης:Οι μετρήσεις προκαλούν μόνο ένα από τα πιθανά αποτελέσματα . Για να το θέσουμε διαφορετικά, ένα κβαντικό αντικείμενο έχει συνήθως περισσότερες επιλογές για μετρήσεις που κωδικοποιούνται στη συνάρτηση κύματος από ό,τι μπορεί να δει κανείς στην πράξη.
Οι κανόνες του Χάρντι που διέπουν πιθανές καταστάσεις και τη σχέση τους με τα αποτελέσματα των μετρήσεων αναγνώρισαν αυτή την ιδιότητα των κβαντικών bit. Στην ουσία οι κανόνες ήταν (πιθανολογικοί) για το πώς τα συστήματα μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες και πώς μπορούν να συνδυαστούν και να αλληλομετατραπούν.
Ο Χάρντι έδειξε στη συνέχεια ότι η απλούστερη δυνατή θεωρία για να περιγράψει τέτοια συστήματα είναι η κβαντομηχανική, με όλα τα χαρακτηριστικά της φαινόμενα όπως κυματοειδείς παρεμβολές και εμπλοκή, στα οποία οι ιδιότητες διαφορετικών αντικειμένων αλληλοεξαρτώνται. «Η εργασία του Χάρντι του 2001 ήταν η στιγμή «Ναι, μπορούμε!» του προγράμματος ανασυγκρότησης», είπε η Τσιριμπέλα. "Μας είπε ότι με τον ένα ή τον άλλο τρόπο μπορούμε να φτάσουμε σε μια ανακατασκευή της κβαντικής θεωρίας."
Πιο συγκεκριμένα, υπονοούσε ότι το βασικό χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας είναι ότι είναι εγγενώς πιθανολογική. «Η κβαντική θεωρία μπορεί να θεωρηθεί ως μια γενικευμένη θεωρία πιθανοτήτων, ένα αφηρημένο πράγμα που μπορεί να μελετηθεί χωρίς την εφαρμογή της στη φυσική», είπε ο Chiribella. Αυτή η προσέγγιση δεν ασχολείται καθόλου με την υποκείμενη φυσική, αλλά απλώς εξετάζει πώς σχετίζονται οι έξοδοι με τις εισροές:τι μπορούμε να μετρήσουμε δεδομένου του τρόπου προετοιμασίας μιας κατάστασης (μια λεγόμενη επιχειρησιακή προοπτική). «Το τι είναι το φυσικό σύστημα δεν διευκρινίζεται και δεν παίζει κανένα ρόλο στα αποτελέσματα», είπε ο Chiribella. Αυτές οι γενικευμένες θεωρίες πιθανοτήτων είναι «καθαρή σύνταξη», πρόσθεσε — συσχετίζουν καταστάσεις και μετρήσεις, όπως η γλωσσική σύνταξη σχετίζεται με κατηγορίες λέξεων, ανεξάρτητα από το τι σημαίνουν οι λέξεις. Με άλλα λόγια, εξήγησε ο Chiribella, οι γενικευμένες θεωρίες πιθανοτήτων «είναι η σύνταξη των φυσικών θεωριών, μόλις τις αφαιρέσουμε από τη σημασιολογία».
Η γενική ιδέα για όλες τις προσεγγίσεις στην κβαντική ανακατασκευή, λοιπόν, είναι να ξεκινήσουμε απαριθμώντας τις πιθανότητες που αποδίδει ένας χρήστης της θεωρίας σε καθένα από τα πιθανά αποτελέσματα όλων των μετρήσεων που μπορεί να εκτελέσει ο χρήστης σε ένα σύστημα. Αυτή η λίστα είναι η «κατάσταση του συστήματος». Τα μόνα άλλα συστατικά είναι οι τρόποι με τους οποίους οι καταστάσεις μπορούν να μετασχηματιστούν η μία στην άλλη και η πιθανότητα των εξόδων με συγκεκριμένες εισόδους. Αυτή η επιχειρησιακή προσέγγιση για την ανασυγκρότηση "δεν προϋποθέτει χωροχρόνο ή αιτιότητα ή τίποτα, μόνο μια διάκριση μεταξύ αυτών των δύο τύπων δεδομένων", δήλωσε ο Alexei Grinbaum, φιλόσοφος της φυσικής στο CEA Saclay στη Γαλλία.
Για να διακρίνετε την κβαντική θεωρία από μια γενικευμένη θεωρία πιθανοτήτων, χρειάζεστε συγκεκριμένα είδη περιορισμών στις πιθανότητες και τα πιθανά αποτελέσματα της μέτρησης. Αλλά αυτοί οι περιορισμοί δεν είναι μοναδικοί. Έτσι, πολλές πιθανές θεωρίες πιθανοτήτων μοιάζουν με κβαντικές. Τότε πώς διαλέγετε το σωστό;
«Μπορούμε να αναζητήσουμε πιθανοτικές θεωρίες που είναι παρόμοιες με την κβαντική θεωρία αλλά διαφέρουν σε συγκεκριμένες πτυχές», δήλωσε ο Matthias Kleinmann, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Χώρας των Βάσκων στο Μπιλμπάο της Ισπανίας. Εάν μπορείτε στη συνέχεια να βρείτε αξιώματα που επιλέγουν συγκεκριμένα την κβαντική μηχανική, εξήγησε, μπορείτε «να απορρίψετε ή να αποδυναμώσετε μερικές από αυτές και να επεξεργαστείτε μαθηματικά ποιες άλλες θεωρίες εμφανίζονται ως λύσεις». Αυτή η εξερεύνηση του τι βρίσκεται πέρα από την κβαντομηχανική δεν είναι απλώς ακαδημαϊκό doodling, γιατί είναι πιθανό - πράγματι, πιθανό - ότι η κβαντική μηχανική είναι από μόνη της απλώς μια προσέγγιση μιας βαθύτερης θεωρίας. Αυτή η θεωρία μπορεί να προκύψει, όπως έκανε η κβαντική θεωρία από την κλασική φυσική, από παραβιάσεις της κβαντικής θεωρίας που εμφανίζονται αν την πιέσουμε αρκετά.
Κομμάτια και κομμάτια
Μερικοί ερευνητές υποψιάζονται ότι τελικά τα αξιώματα μιας κβαντικής ανακατασκευής θα αφορούν τις πληροφορίες:τι μπορεί και τι δεν μπορεί να γίνει με αυτήν. Μια τέτοια εξαγωγή της κβαντικής θεωρίας που βασίζεται σε αξιώματα σχετικά με τις πληροφορίες προτάθηκε το 2010 από τον Chiribella, ο οποίος τότε εργαζόταν στο Perimeter Institute, και τους συνεργάτες του Giacomo Mauro D'Ariano και Paolo Perinotti του Πανεπιστημίου της Παβίας στην Ιταλία. «Μιλώντας χαλαρά», εξήγησε ο Jacques Pienaar, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, «οι αρχές τους αναφέρουν ότι οι πληροφορίες πρέπει να εντοπίζονται στο χώρο και στο χρόνο, ότι τα συστήματα πρέπει να μπορούν να κωδικοποιούν πληροφορίες το ένα για το άλλο και ότι κάθε διαδικασία πρέπει να αρχή είναι αναστρέψιμη, έτσι ώστε οι πληροφορίες να διατηρούνται." (Σε μη αναστρέψιμες διαδικασίες, αντίθετα, συνήθως χάνονται πληροφορίες — ακριβώς όπως συμβαίνει όταν διαγράφετε ένα αρχείο στον σκληρό σας δίσκο.)
Επιπλέον, είπε ο Pienaar, όλα αυτά τα αξιώματα μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας συνηθισμένη γλώσσα. «Όλα σχετίζονται άμεσα με τα στοιχεία της ανθρώπινης εμπειρίας, δηλαδή, τι θα έπρεπε να μπορούν να κάνουν οι πραγματικοί πειραματιστές με τα συστήματα στα εργαστήριά τους», είπε. «Και φαίνονται όλοι αρκετά λογικοί, έτσι ώστε να είναι εύκολο να αποδεχτείς την αλήθεια τους». Ο Chiribella και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι ένα σύστημα που διέπεται από αυτούς τους κανόνες δείχνει όλες τις γνωστές κβαντικές συμπεριφορές, όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή.
Μια πρόκληση είναι να αποφασίσουμε τι θα πρέπει να χαρακτηριστεί ως αξίωμα και τι θα πρέπει να προσπαθήσουν να αντλήσουν οι φυσικοί από τα αξιώματα. Πάρτε τον κανόνα της κβαντικής μη-κλωνοποίησης, που είναι μια άλλη από τις αρχές που προκύπτουν φυσικά από την ανασυγκρότηση του Chiribella. Ένα από τα βαθιά ευρήματα της σύγχρονης κβαντικής θεωρίας, αυτή η αρχή δηλώνει ότι είναι αδύνατο να γίνει αντίγραφο μιας αυθαίρετης, άγνωστης κβαντικής κατάστασης.
Ακούγεται σαν τεχνικό στοιχείο (αν και εξαιρετικά άβολο για επιστήμονες και μαθηματικούς που επιδιώκουν να σχεδιάσουν κβαντικούς υπολογιστές). Αλλά σε μια προσπάθεια το 2002 να εξαχθεί η κβαντική μηχανική από κανόνες σχετικά με το τι επιτρέπεται με την κβαντική πληροφορία, ο Jeffrey Bub του Πανεπιστημίου του Maryland και οι συνάδελφοί του Rob Clifton από το Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ και Hans Halvorson του Πανεπιστημίου Princeton έκαναν μη κλωνοποίηση ένα από τα τρία. θεμελιώδη αξιώματα. Ένα από τα άλλα ήταν μια απλή συνέπεια της ειδικής σχετικότητας:Δεν μπορείτε να μεταδώσετε πληροφορίες μεταξύ δύο αντικειμένων πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός κάνοντας μια μέτρηση σε ένα από τα αντικείμενα. Το τρίτο αξίωμα ήταν πιο δύσκολο να δηλωθεί, αλλά εμφανίζεται επίσης ως περιορισμός στην κβαντική τεχνολογία πληροφοριών. Ουσιαστικά, περιορίζει το πόσο ασφαλώς μπορεί να ανταλλάσσεται ένα κομμάτι πληροφοριών χωρίς να παραβιάζεται:Ο κανόνας είναι μια απαγόρευση αυτού που ονομάζεται «δέσμευση άνευ όρων ασφαλούς bit».
Αυτά τα αξιώματα φαίνεται να σχετίζονται με τις πρακτικές δυνατότητες διαχείρισης κβαντικών πληροφοριών. Αλλά αν τα θεωρήσουμε αντίθετα θεμελιώδη, και αν υποθέσουμε επιπλέον ότι η άλγεβρα της κβαντικής θεωρίας έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται μη αντικατάσταση, που σημαίνει ότι η σειρά με την οποία κάνετε τους υπολογισμούς έχει σημασία (σε αντίθεση με τον πολλαπλασιασμό δύο αριθμών, που μπορεί να γίνει με οποιαδήποτε σειρά), οι Clifton, Bub και Halvorson έχουν δείξει ότι και αυτοί οι κανόνες προκαλούν υπέρθεση, εμπλοκή, αβεβαιότητα, μη τοπικότητα και ούτω καθεξής:τα βασικά φαινόμενα της κβαντικής θεωρίας.
Μια άλλη ανακατασκευή εστιασμένη στις πληροφορίες προτάθηκε το 2009 από τους Borivoje Dakić και Časlav Brukner, φυσικούς στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. Πρότειναν τρία «εύλογα αξιώματα» που έχουν να κάνουν με την ικανότητα πληροφοριών:ότι το πιο στοιχειώδες στοιχείο όλων των συστημάτων δεν μπορεί να μεταφέρει περισσότερο από ένα bit πληροφοριών, ότι η κατάσταση ενός σύνθετου συστήματος που αποτελείται από υποσυστήματα καθορίζεται πλήρως από μετρήσεις στο υποσυστήματα, και ότι μπορείτε να μετατρέψετε οποιαδήποτε «καθαρή» κατάσταση σε άλλη και πάλι πίσω (όπως το να γυρίζετε ένα νόμισμα μεταξύ κεφαλών και ουρών).
Οι Dakić και Brukner έδειξαν ότι αυτές οι υποθέσεις οδηγούν αναπόφευκτα σε κλασικές και κβαντικές πιθανότητες, και σε καμία άλλη. Επιπλέον, εάν τροποποιήσετε το αξίωμα τρία για να πείτε ότι οι καταστάσεις μετατρέπονται συνεχώς - σιγά σιγά, αντί σε ένα μεγάλο άλμα - θα έχετε μόνο κβαντική θεωρία, όχι κλασική. (Ναι, όντως είναι έτσι, αντίθετα με ό,τι θα περίμενες η ιδέα του «κβαντικού άλματος» — μπορείτε να μετατρέψετε τις καταστάσεις των κβαντικών περιστροφών περιστρέφοντας ομαλά τον προσανατολισμό τους, αλλά δεν μπορείτε σταδιακά να μετατρέψετε μια κλασική κεφαλή σε ουρά .) "Αν δεν έχουμε συνέχεια, τότε δεν έχουμε κβαντική θεωρία", είπε ο Γκρίνμπαουμ.
Μια περαιτέρω προσέγγιση στο πνεύμα της κβαντικής ανασυγκρότησης ονομάζεται κβαντικός Μπεϋζιανισμός ή QBism. Σχεδιασμένο από τους Carlton Caves, Christopher Fuchs και Rüdiger Schack στις αρχές της δεκαετίας του 2000, παίρνει την προκλητική θέση ότι ο μαθηματικός μηχανισμός της κβαντικής μηχανικής δεν έχει καμία σχέση με τον τρόπο που πραγματικά είναι ο κόσμος. Μάλλον, είναι απλώς το κατάλληλο πλαίσιο που μας επιτρέπει να αναπτύξουμε προσδοκίες και πεποιθήσεις για τα αποτελέσματα των παρεμβάσεων μας. Παίρνει το σύνθημά του από την Bayesian προσέγγιση της κλασικής πιθανότητας που αναπτύχθηκε τον 18ο αιώνα, στην οποία οι πιθανότητες πηγάζουν από προσωπικές πεποιθήσεις και όχι από παρατηρούμενες συχνότητες. Στον QBism, οι κβαντικές πιθανότητες που υπολογίζονται με τον κανόνα Born δεν μας λένε τι θα μετρήσουμε, αλλά μόνο τι θα έπρεπε λογικά να περιμένουμε να μετρήσουμε.
Με αυτή την άποψη, ο κόσμος δεν δεσμεύεται από κανόνες - ή τουλάχιστον, όχι από κβαντικούς κανόνες. Πράγματι, μπορεί να μην υπάρχουν θεμελιώδεις νόμοι που να διέπουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των σωματιδίων. Αντίθετα, οι νόμοι αναδύονται στην κλίμακα των παρατηρήσεών μας. Αυτή η πιθανότητα εξετάστηκε από τον John Wheeler, ο οποίος μεταγλωττίστηκε το σενάριο Law Without Law. Θα σήμαινε ότι «η κβαντική θεωρία είναι απλώς ένα εργαλείο για να γίνει κατανοητή μια άνομη τεμαχισμός της φύσης», είπε ο Adán Cabello, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης. Μπορούμε να αντλήσουμε την κβαντική θεωρία μόνο από αυτές τις προϋποθέσεις;
«Εκ πρώτης όψεως, φαίνεται αδύνατο», παραδέχτηκε ο Cabello - τα συστατικά φαίνονται πολύ λεπτά, για να μην αναφέρουμε αυθαίρετα και ξένα με τις συνήθεις υποθέσεις της επιστήμης. «Αλλά τι γίνεται αν καταφέρουμε να το κάνουμε;» ρώτησε. «Δεν θα έπρεπε αυτό να σοκάρει όποιον σκέφτεται την κβαντική θεωρία ως έκφραση των ιδιοτήτων της φύσης;»
Δημιουργία χώρου για τη βαρύτητα
Κατά την άποψη του Χάρντι, οι κβαντικές ανακατασκευές ήταν σχεδόν υπερβολικά επιτυχείς, από μία άποψη:Διάφορα σύνολα αξιωμάτων δημιουργούν τη βασική δομή της κβαντικής μηχανικής. «Έχουμε αυτά τα διαφορετικά σύνολα αξιωμάτων, αλλά όταν τα κοιτάξεις, μπορείς να δεις τις συνδέσεις μεταξύ τους», είπε. «Όλα φαίνονται αρκετά καλά και είναι από μια τυπική έννοια ισοδύναμα γιατί όλα σας δίνουν κβαντική θεωρία». Και δεν είναι ακριβώς αυτό που ήλπιζε. "Όταν ξεκίνησα σε αυτό, αυτό που ήθελα να δω ήταν δύο περίπου προφανή, επιτακτικά αξιώματα που θα σας έδιναν την κβαντική θεωρία και με τα οποία κανείς δεν θα διαφωνούσε."
Πώς λοιπόν επιλέγουμε ανάμεσα στις διαθέσιμες επιλογές; «Η υποψία μου τώρα είναι ότι υπάρχει ακόμα ένα βαθύτερο επίπεδο για την κατανόηση της κβαντικής θεωρίας», είπε ο Χάρντι. Και ελπίζει ότι αυτό το βαθύτερο επίπεδο θα δείξει πέρα από την κβαντική θεωρία, τον άπιαστο στόχο μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. «Αυτό είναι το επόμενο βήμα», είπε. Αρκετοί ερευνητές που εργάζονται σε ανακατασκευές ελπίζουν τώρα ότι η αξιωματική προσέγγισή της θα μας βοηθήσει να δούμε πώς να θέσουμε την κβαντική θεωρία με τρόπο που να σφυρηλατεί μια σύνδεση με τη σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας — τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν.
Κοιτάξτε την εξίσωση Schrödinger και δεν θα βρείτε στοιχεία για το πώς να κάνετε αυτό το βήμα. Αλλά οι κβαντικές ανακατασκευές με μια «πληροφοριακή» γεύση μιλούν για το πώς τα συστήματα μεταφοράς πληροφοριών μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο, ένα πλαίσιο αιτιώδους συνάφειας που υποδηλώνει μια σύνδεση με τη χωροχρονική εικόνα της γενικής σχετικότητας. Η αιτιότητα επιβάλλει χρονολογική σειρά:Ένα αποτέλεσμα δεν μπορεί να προηγείται της αιτίας του. Αλλά ο Χάρντι υποψιάζεται ότι τα αξιώματα που χρειαζόμαστε για να οικοδομήσουμε την κβαντική θεωρία θα είναι αυτά που αγκαλιάζουν την έλλειψη ορισμένης αιτιακής δομής - χωρίς μοναδική χρονική διάταξη των γεγονότων - κάτι που λέει ότι είναι αυτό που πρέπει να περιμένουμε όταν η κβαντική θεωρία συνδυάζεται με τη γενική σχετικότητα. "Θα ήθελα να δω αξιώματα που να είναι όσο το δυνατόν πιο ουδέτερα, γιατί θα ήταν καλύτερα υποψήφια ως αξιώματα που προέρχονται από την κβαντική βαρύτητα", είπε.
Ο Χάρντι πρότεινε για πρώτη φορά ότι τα κβαντικά-βαρυτικά συστήματα μπορεί να εμφανίσουν απροσδιόριστη αιτιακή δομή το 2007. Και στην πραγματικότητα μόνο η κβαντική μηχανική μπορεί να το δείξει αυτό. Ενώ εργαζόταν σε κβαντικές ανακατασκευές, ο Chiribella εμπνεύστηκε να προτείνει ένα πείραμα για τη δημιουργία αιτιακών υπερθέσεων κβαντικών συστημάτων, στα οποία δεν υπάρχει συγκεκριμένη σειρά γεγονότων αιτίας και αποτελέσματος. Αυτό το πείραμα πραγματοποιήθηκε τώρα από το εργαστήριο του Philip Walther στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης — και μπορεί παρεμπιπτόντως να υποδηλώνει έναν τρόπο να γίνει πιο αποτελεσματικός ο κβαντικός υπολογισμός.
«Βρίσκω αυτό μια εντυπωσιακή απεικόνιση της χρησιμότητας της προσέγγισης ανασυγκρότησης», είπε η Chiribella. «Η σύλληψη της κβαντικής θεωρίας με αξιώματα δεν είναι απλώς μια διανοητική άσκηση. Θέλουμε τα αξιώματα να κάνουν κάτι χρήσιμο για εμάς — να μας βοηθήσουν να συλλογιστούμε σχετικά με την κβαντική θεωρία, να εφεύρουμε νέα πρωτόκολλα επικοινωνίας και νέους αλγόριθμους για κβαντικούς υπολογιστές και να είναι ένας οδηγός για τη διατύπωση νέας φυσικής."
Μπορούν όμως οι κβαντικές ανακατασκευές να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε το «νόημα» της κβαντικής μηχανικής; Ο Χάρντι αμφιβάλλει ότι αυτές οι προσπάθειες μπορούν να επιλύσουν επιχειρήματα σχετικά με την ερμηνεία — εάν χρειαζόμαστε πολλούς κόσμους ή μόνο έναν, για παράδειγμα. Σε τελική ανάλυση, ακριβώς επειδή το πρόγραμμα ανασυγκρότησης είναι εγγενώς «επιχειρησιακό», που σημαίνει ότι εστιάζει στην «εμπειρία χρήστη» - πιθανότητες σχετικά με το τι μετράμε - δεν μπορεί ποτέ να μιλήσει για την «υπόκρουση πραγματικότητα» που δημιουργεί αυτές τις πιθανότητες.
«Όταν μπήκα σε αυτήν την προσέγγιση, ήλπιζα ότι θα βοηθούσε στην επίλυση αυτών των ερμηνευτικών προβλημάτων», παραδέχτηκε ο Χάρντι. «Αλλά θα έλεγα ότι δεν έχει». Ο Cabello συμφωνεί. «Μπορεί κανείς να υποστηρίξει ότι οι προηγούμενες ανακατασκευές απέτυχαν να κάνουν την κβαντική θεωρία λιγότερο αινιγματική ή να εξηγήσουν από πού προέρχεται η κβαντική θεωρία», είπε. «Όλοι τους φαίνεται να χάνουν το σημάδι για την τελική κατανόηση της θεωρίας». Ωστόσο, παραμένει αισιόδοξος:«Εξακολουθώ να πιστεύω ότι η σωστή προσέγγιση θα λύσει τα προβλήματα και θα κατανοήσουμε τη θεωρία».
Ίσως, είπε ο Χάρντι, αυτές οι προκλήσεις πηγάζουν από το γεγονός ότι η πιο θεμελιώδης περιγραφή της πραγματικότητας έχει τις ρίζες της σε αυτήν την άγνωστη ακόμα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. «Ίσως όταν επιτέλους πιάσουμε τα χέρια μας στην κβαντική βαρύτητα, η ερμηνεία θα υποδηλωθεί», είπε. "Ή μπορεί να είναι χειρότερο!"
Αυτήν τη στιγμή, η κβαντική ανασυγκρότηση έχει λίγους οπαδούς - κάτι που ευχαριστεί τον Χάρντι, καθώς σημαίνει ότι εξακολουθεί να είναι ένα σχετικά ήρεμο πεδίο. Αλλά αν κάνει σοβαρές εισβολές στην κβαντική βαρύτητα, αυτό σίγουρα θα αλλάξει. Στη δημοσκόπηση του 2011, περίπου το ένα τέταρτο των ερωτηθέντων θεώρησαν ότι οι κβαντικές ανακατασκευές θα οδηγήσουν σε μια νέα, βαθύτερη θεωρία. Μια ευκαιρία μία στις τέσσερις φαίνεται σίγουρα αξίζει μια βολή.
Ο Grinbaum πιστεύει ότι το έργο της οικοδόμησης ολόκληρης της κβαντικής θεωρίας από την αρχή με μια χούφτα αξιώματα μπορεί τελικά να είναι ανεπιτυχές. «Είμαι πλέον πολύ απαισιόδοξος για τις πλήρεις ανακατασκευές», είπε. Όμως, πρότεινε, γιατί να μην προσπαθήσουμε να το κάνουμε κομμάτι-κομμάτι - για να ανασυνθέσουμε απλώς συγκεκριμένες πτυχές, όπως η μη τοπικότητα ή η αιτιότητα; «Γιατί θα προσπαθήσει κανείς να ανακατασκευάσει ολόκληρο το οικοδόμημα της κβαντικής θεωρίας αν γνωρίζουμε ότι είναι φτιαγμένο από διαφορετικά τούβλα;» ρώτησε. «Ανακατασκευάστε πρώτα τα τούβλα. Ίσως αφαιρέσετε μερικά και δείτε τι είδους νέα θεωρία μπορεί να προκύψει."
«Νομίζω ότι η κβαντική θεωρία όπως την ξέρουμε δεν θα σταθεί», είπε ο Γκρίνμπαουμ. «Ποιο από τα πήλινα πόδια του θα σπάσει πρώτο είναι αυτό που προσπαθούν να εξερευνήσουν οι ανακατασκευές». Πιστεύει ότι, καθώς προχωρά αυτό το τρομακτικό έργο, μερικά από τα πιο ενοχλητικά και ασαφή ζητήματα στην τυπική κβαντική θεωρία - όπως η διαδικασία μέτρησης και ο ρόλος του παρατηρητή - θα εξαφανιστούν και θα δούμε ότι οι πραγματικές προκλήσεις βρίσκονται αλλού . «Αυτό που χρειάζεται είναι νέα μαθηματικά που θα καταστήσουν αυτές τις έννοιες επιστημονικές», είπε. Τότε, ίσως, θα καταλάβουμε για τι λογομαχούσαμε τόσο καιρό.
