Вы, наверное, слышали о «странности» квантовой механики. Трудно найти статью на эту тему, в которой известный физик не сетовал бы на непостижимость квантового поведения. Но, как обнаруживает Конор Филли, существуют новые способы получить квантовое представление.
Да, квантовая физика, по крайней мере поначалу, может показаться нелогичной. Квантовые механические системы, похоже, подчиняются другому набору правил по сравнению с системами, с которыми мы сталкиваемся в нашем макроскопическом мире ежедневно. И всё же со временем учёные-квантовики смогли близко познакомиться с концепциями и математикой, лежащими в основе квантового мира. Учёные, которые работают в этой области ежедневно, могут научиться видеть события через квантовую призму. Это странное пространство идей может стать второй натурой, когда у них разовьётся интуиция к тому, что когда-то было чуждым.
«Я чувствую, что мы готовы перейти от того, как квантовая механика изображалась раньше», — говорит Николь Юнгер Халперн, изучающая теорию квантовой информации и квантовую термодинамику в Национальном институте стандартов и технологий в Мэриленде. Юнгер Халперн также является наиболее частым автором блога Quantum Frontiers, который освещает науку о квантовой механике для Института квантовой информации и материи в Калифорнийском технологическом институте.
Николь Юнгер Халперн — физик-теоретик в Объединённом центре квантовой информации и компьютерных наук при Университете Мэриленда.
Усилия по демистификации квантового мира также включают новый инструмент — игры. За последние несколько лет квантовые педагоги начали внедрять элементы квантового поведения в различные видеоигры. Они надеются, что, знакомя с этим миром всё более молодых людей, они смогут сформировать интуитивное понимание квантовой механики у следующего поколения учёных.
«Если бы я столкнулась с этими играми, когда мне было 8, 10 или 12 лет, как это могло бы повлиять на меня?» — спрашивает Кэрри Вайднер, квантовый инженер из Бристольского университета. Вайднер провела три года, разрабатывая квантовые игры и другие образовательные инструменты в Орхусском университете в Дании.
Интуиция в науке
Человеческая интуиция, хотим мы того или нет, является центральным компонентом в истории науки. Она позволяет учёным визуализировать, предсказывать, задавать интересные вопросы и находить способы их решения. Учёные интуитивно продвигаются к прогрессу, рассказывая истории о квантовом мире, проверяя, насколько их предположения отклоняются от истины, и корректируя свои истории с помощью экспериментов и математики.
Интуитивная физика
С первого дня, как вы входите в мир, вы сталкиваетесь со средой, имеющей определённые закономерности. Вещи падают. Объекты не проходят друг через друга. Предметы сохраняются. Эти закономерности помогают нам формировать подсознательные правила взаимодействия объектов и развития событий в окружающем нас мире. Психологи развития называют это нашей «интуитивной физикой».
«Младенцы рождаются со скелетной структурой абстрактных физических принципов и концепций», — говорит Рене Байяржон, психолог развития, изучающая физическое мышление у младенцев в Университете Иллинойса. «Они направляют рассуждения младенцев о физических событиях и формируют ожидания относительно их результатов».
Рене Байяржон — заслуженный профессор-исследователь в отставке в Университете Иллинойса.
Если, например, вы спрячете чашку за ширмой, а затем опустите её и увидите, что чашки нет, младенцы в возрасте двух-трёх месяцев будут удивлены. Их ожидание того, как должно развиваться событие, включает концепцию постоянства (при прочих равных условиях объекты сохраняются такими, какие они есть, во времени и пространстве) — объекты не исчезают спонтанно, не так ли?
«Младенцы формируют категории событий, такие как окклюзия, содержание, поддержка, столкновение и так далее, которые соответствуют типам событий, которые они видят в своей повседневной жизни», — объясняет Байяржон. «Взаимодействуя со своей физической средой, младенцы узнают, одну за другой, особенности, важные для каждой категории событий».
Всё это означает, что, когда мы сталкиваемся с событиями или концепциями, которые, кажется, нарушают интуитивную физику, с которой мы столкнулись в младенчестве и развили в детстве, мы, скорее всего, увидим в этом нечто нелогичное — мистическое, возможно, — или просто странное. Квантовая механика, конечно, полна таких нарушений.
Наука и интуиция
В науке интуиция может считаться чем-то вроде ругательства. Учёные проводят эксперименты. Они идут туда, куда им говорят данные. В науке нет места чему-то столь «эзотерическому», как чувства или интуиция. Однако этот взгляд искажает интуицию, превращая её в нечто мистическое, а не в подсознательный навык, который развивается со временем и пониманием.
История науки также была процессом разрушения того, что мы думаем, что знаем о мире, и построения чего-то нового. Даже если новые идеи изначально казались нелогичными, например, что Земля не является центром Вселенной (спасибо Копернику) или что время на самом деле относительно (спасибо Эйнштейну), это не помешало следующему поколению учёных включить эти «нелогичные» знания в свою модель мира. И, что особенно важно, это не помешало им развивать эти знания.
«Если бы у нас не было интуиции, мы, вероятно, не смогли бы провести много исследований. Нам нужно какое-то представление о том, куда мы идём, чего мы ожидаем достичь, как мы можем этого достичь, и есть много возможностей обнаружить, что мы ошибаемся, чтобы мы могли скорректировать свой путь», — говорит Юнгер Халперн.
Квантовые игры
Кажущаяся странность квантового мира может не сохраниться. Это связано с тем, что отдельные лица и организации работают над тем, как представить квантовые концепции молодым людям новыми, увлекательными способами. Ещё в 2013 году Институт квантовой информации и материи Калифорнийского технологического института в партнёрстве с Google выпустили Qcraft. Эта вариация игры Minecraft включает в себя квантовое поведение в игровой процесс. В 2017 году Крис Кэнтвелл разработал квантовые шахматы в Quantum Realm Games в Калифорнии, которые даже проводили международные турниры.
Квантовые исследователи, такие как Джейкоб Шерсон из Орхусского университета, также разрабатывают квантовые игры и новые подходы к образовательной деятельности. Вайднер провела три года, работая с Шерсоном над квантовыми играми и играми для образования в сфере квантовой физики во время постдокторантуры в Орхусе. «Идея заключается в том, что с помощью комбинации образовательных инструментов и решения головоломок вы можете развить интуицию к этим концепциям. Разница между мной и моими студентами заключается в том, что у меня было время поработать с этими идеями… и поэтому любой инструмент, который облегчит этот переход, независимо от того, начинаете ли вы в 12, 18 или 30 лет, станет огромным подспорьем», — говорит Вайднер.
Ограничения интуиции
Обозначение квантового поведения как нелогичного игнорирует способность человеческого разума адаптироваться к новым идеям и концепциям через знакомство. «Это безумие, к чему можно привыкнуть», — говорит Вайднер. Да, такие особенности, как запутанность и туннелирование, могут показаться странными поначалу. Но, несомненно, квантовые учёные развили интуицию, которая позволяет им играть с этими идеями, бросать им вызов с помощью экспериментов, которые могут привести к новому пониманию, или применять их к проблемам, которые никто не рассматривал.
Квантовая интуиция у учёных говорит о более широкой способности людей работать с идеями, к которым, по всем правилам, у нас нет причин быть настолько компетентными. Мы эволюционировали, чтобы решать проблемы в масштабе реальности, которую мы можем воспринимать. Когда-то секретный квантовый мир, на порядки меньший, чем всё, к чему мы можем получить доступ с помощью наших органов чувств, теперь становится для нас осмысленным.
«Наша скелетная структура не связывает нас с определённой физической реальностью. Мы можем наслаждаться научно-фантастическими фильмами и фильмами о Гарри Поттере, которые нарушают многие основные физические предположения… Мы можем оценить другие физические реальности, но возвращаемся к своей, когда приходит время приготовить салат, сложить бельё, сгрести листья или отвезти детей в школу», — говорит Байяржон.
Какие скрытые слои реальности нам придётся научиться интуитивно понимать дальше?
Конор Филли — научный писатель из Новой Зеландии.