Głęboko w sercu fizyki znajduje się szczęśliwe przypuszczenie. Było to niewiarygodnie dobre przypuszczenie, które pozostało solidne w obliczu czasu i eksperymentów, a teraz jest fundamentalną zasadą mechaniki kwantowej.
Nazywa się to regułą Borna, i chociaż jest używana do przewidywań, nikt tak naprawdę nie rozumie, jak działa. Ale nowa odważna próba jej przepisania może być przełomem, którego szukaliśmy, aby w końcu zrozumieć ją w pełni.
Fizycy z University College London Lluís Masanes i Thomas Galley połączyli siły z Markusem Müllerem z Austriackiej Akademii Nauk, aby znaleźć nowy sposób na opisanie tego podstawowego prawa fizyki.
Nie są oni pierwszymi, którzy szukają głębszych prawd do tej najbardziej zdumiewającej z zasad kwantowych. I, bądźmy szczerzy, nie będą ostatnimi. Ale jeśli istnieje rozwiązanie, które należy znaleźć, prawdopodobnie będzie ono wymagało unikalnego podejścia, takiego jak ich.
Po pierwsze, aby zrozumieć, co jest takiego szczególnego w regule Borna, musimy się trochę cofnąć.
Stało się banałem stwierdzenie, że mechanika kwantowa jest dziwna. Co z kotami, które są jednocześnie żywe i martwe oraz cząstkami teleportującymi informacje w czasie i przestrzeni, przyzwyczailiśmy się do postrzegania piwnicy fizyki jako magicznego show.
Wielkie nazwiska, takie jak Schrödinger, Heisenberg i Einstein, mają tendencję do zdobywania chwały, ale to niemiecki fizyk i matematyk Max Born naprawdę zasługuje na uznanie za monumentalny ból głowy, którego dostarcza mechanika kwantowa.
Aby zrozumieć jego wkład, musimy tylko spojrzeć na gorący bałagan, w jakim znaleźli się fizycy we wczesnych latach dwudziestych. Struktura atomu została niedawno odkryta jako składająca się z gęstego, dodatnio naładowanego jądra otoczonego przez mniejsze ujemnie naładowane cząsteczki.
Dlaczego cały system się nie rozpadł, było Wielkim Pytaniem, nad którym się zastanawiano, dopóki francuski fizyk Louis de Broglie nie wysunął śmiałej sugestii – tak jak fale świetlne mają naturę cząstek, tak ujemne elektrony mogłyby pozostać w górze, gdyby również były falowe.
Dwoistość światła była już wystarczająco trudna do przełknięcia. Ale opisywanie materii wyglądającej na stałą, jakby była falą na oceanie, było po prostu szaleństwem. Mimo to, eksperymenty wykazały, że było to dobre dopasowanie.
Wtedy, w 1926 roku, Born wpadł na prostą sugestię – czerpiąc wgląd z matematyki swoich kolegów, pokazał jak te fale odzwierciedlają prawdopodobieństwo i wymyślił regułę, która łączyła obserwacje z miarami szansy. Reguła ta pozwala fizykom przewidywać położenie cząstek w eksperymentach, wykorzystując prawdopodobieństwo odzwierciedlone przez amplitudy tych funkcji falowych.
Ale reguła Borna nie była oparta na jakimś podstawowym zestawie aksjomatów, czy głębszych prawdach natury. W wykładzie wygłoszonym po otrzymaniu Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę w 1954 roku, Born wyjaśnił, że moment „aha!” wyłonił się z pracy Einsteina.
„Próbował on uczynić zrozumiałym dualizm cząstek – kwantów światła lub fotonów – i fal, interpretując kwadrat amplitudy fali optycznej jako gęstość prawdopodobieństwa wystąpienia fotonów”, powiedział Born.
Było to natchnione przypuszczenie, w dodatku trafne. Ale nie było żadnych podstawowych aksjomatów, żadnych fundamentalnych praw ciągnących Borna do jego wniosku. Była to czysta prognoza, nie mówiąca nic o głębszych zasadach, które zmieniają wiele możliwości w jedną rzeczywistość.
Einstein nienawidził implikacji, sławnie twierdząc, że Bóg nie gra w kości, i czuł, że mechanika kwantowa jest niekompletną teorią czekającą na nowe elementy, które uczynią obraz jasnym.
Prawie sto lat później, te elementy są tak samo nieuchwytne jak zawsze. A reguła Borna wciąż siedzi w jej sercu, cicho przewidując bez ujawniania tajemnicy swojego wyboru.
Trzeba przeformułować słynne prawo, które zachowa swoją moc przewidywania, jednocześnie podpowiadając dalsze prawdy. Tak więc Masanes, Galley i Muller przerobili sformułowanie reguły w oparciu o kilka pozornie trywialnych założeń.
Po pierwsze, zwrócili uwagę, że stany kwantowe są opisane zgodnie z miarami wielkości i kierunku.
Po drugie, pokazali jak te stany mogą być opisane zgodnie z tym, co jest znane jako unitarność. Ten żargon odnosi się do informacji, która łączy punkty początkowe i końcowe procesu. (Używając prostej analogii, możemy nie wiedzieć, jak dotarliśmy z baru do domu, ale metoda, która nas tam zaprowadziła, opisuje również drogę powrotną.)
Następnie założyli, że jakkolwiek zdecydujemy się pogrupować części złożonego systemu kwantowego, nie powinno to mieć znaczenia dla pomiaru stanu końcowego. Podział tęczy na siedem kolorów to wybór, którego dokonujemy w zależności od kontekstu; natura nie zawsze zajmuje się wygodnymi podziałami.
Na koniec potwierdzili, że pomiar stanu kwantowego jest unikalny. Po tym wszystkim, niezliczone możliwości kończą się solidną odpowiedzią.
Z tych prostych punktów wyjścia, trio logicznie zbudowało z powrotem do reguły Borna. Ich praca jest dostępna dla każdego na stronie arxiv.org, ale już wywołuje dyskusje.
Nie jest to rozwiązanie samo w sobie, ponieważ nie wyjaśnia, dlaczego fala możliwości rozpada się na rzeczywistość, którą obserwujemy.
Zamiast tego pokazuje, jak fundamentalne założenia mogą doprowadzić do powstania tego samego prawa, zapewniając nową perspektywę, jak podejść do problemu.
Na razie Bóg wciąż rzuca kostką fair and square. Może właśnie w ten sposób przyłapiemy go na oszukiwaniu.