Етикети

От Насипни струн…

Джеймс Бьоркен*

Макс Планк около 1910 г.

Историята за това как Макс Планк положи началото е една от най-вълнуващите в науката. Това е моята любима история, още повече че аз вече съм писал на тази тема (виж “Физиката на елементарните частици – накъде?” в зимната книжка от 1992 г. на Beam line, том 22, № 4). Тук ще повторя само това, което покойният Ейбрахъм Паис каза за Планк: “Неговите аргументи бяха налудничави, но неговата лудост съдържаше онези божествени качества, които само най-великите са способни да отдадат на науката.”

Сто години по-късно лудостта все още не е изчезнала. Науката понякога достига до резултати, представляващи предизвикателство към човешката интуиция. И трябва да се признае, че в това отношение квантовата теория е безспорен лидер. За мен квантовите парадокси като принципът за неопределеността на Хайзенберг, котката на Шрьодингер, “колапсът на вълновия пакет,” и други, са много по-объркващи и неочаквани отколкото тези в теорията относителността, като парадоксът на близнаците от специалната теория на относителността или физиката на черните дупки от класическата обща теория на относителността. Често се твърди, че никой в действителност не разбира квантовата теория и аз съм последният, който би оспорил това.

В статиите от този брой трудните въпроси, свързани с интерпретацията на квантовата теория, за щастие не се засягат. Няма да се споменава за дебатите между Айнщайн и Бор, нито за по-късните опити на Бом, Евърит и други, да намерят нова интерпретация на теорията, различна от оригиналната “Копенхагенска интерпретация” на Бор и неговите колеги. Напротив, навсякъде справедливо се подчертава неоспоримият практически успех на тези революционни идеи. Квантовата теория работи. Тя нито веднъж не е претърпяла неуспех. А полето й на приложимост е огромно. Както обича да казва Леон Ледерман, Нобелов лауреат и почетен директор на Фермилаб, повече от 25 процента от брутния национален продукт се дължи на технологии, които по естествен начин произлизат от квантовите явления.

Въпреки това трудно е и да не се съгласим с чувството на Айнщайн, че има нещо непълно в съвременното разбиране на квантовата теория. Може би уравненията на теорията не са абсолютно верни и някакви корекции евентуално ще бъдат внесени, а ефектите от тях наблюдавани. Този възглед не е особено популярен. Но все пак съществуват учени, които смятат, че квантовата теория е точна само за достатъчно малки системи, а за големи и сложни квантови системи, които е трудно да бъдат описани достатъчно подробно, може би съществуват някакви малки “шумови” членове или нелинейности във фундаменталните уравнения, които успешно биха се справили с парадокси като “колапсът на вълновия пакет.”

От създаването на квантовата теория досега всички дебати върху нейните основи са произвеждали повече шум отколкото реални действия и оставаха повече свързани с философията на науката отколкото с реалната експериментална наука. Джон Бел внесе известна свежест в тази насока. Прочутата теорема, която носи неговото име, стана причина за възникването на експериментална програма, проверяваща някои от фундаменталните въпроси на теорията. Все пак щеше да бъде голям шок, поне за мене, ако тези експерименти бяха разкрили някакво несъответствие, защото изследваните обекти бяха прости атомни системи, не твърде отличаващи се от системите елементарни частици, при които в последно време бяха ясно наблюдавани сложни квантови ефекти. За едно достойно предизвикателство на квантовата теория, според мен би трябвало да се отиде много по-далеч и по-дълбоко.

Какво би представлявало това предизвикателство? Понастоящем една ясна възможност, която активно се използва, е теорията на струните; тя се опитва да приложи Айнщайновата гравитационна теория за много малки дължини, където преобладават квантовите ефекти. В своя настоящ вид именно гравитационната теория е тази, която се модифицира, развива и обобщава, без да засяга същността на квантовата теория. Но трябва да се има предвид и алтернативата, че и самата квантова теория не е в състояние да опише гравитационните ефекти. Обаче такава програма е по-лесно да се формулира, отколкото да се изпълни. И проблемът е, че отговорът трябва да бъде намерен почти без никаква експериментална помощ. Напротив, развитието на самата квантова теория беше съпътствано от огромен брой експерименти, които помагаха на теоретиците да намерят окончателните уравнения.

Друг един подход беше неотдавна предложен от Франк Вилчек във една много интересна статия във Physics Today. Той сравнява еволюцията на уравненията на квантовата теория с тези на Максуеловата електродинамика. И едните и другите първоначално са били формулирани, изхождайки от експерименталния материал. И в двата случая интерпретацията на тяхното съдържание дойде по-късно. При електродинамиката окончателното заключение е, че в крайна сметка уравненията на Максуел изразяват твърдения свързани със симетрията. (На физичен жаргон уравненията на Максуел изразяват факта, че електродинамиката е калибровъчно инвариантна и Лоренц-ковариантна). Вилчек отбелязва, че не съществува подобен дълбок смисъл в уравненията на квантовата механика и се надява, че когато бъде намерено истинското значение на квантовата теория, то също ще съдържа симетрийни твърдения. Ако наистина съществуват такива симетрии, то те или са ни неизвестни, или засега не могат да бъдат разпознати. Вилчек цитира едно предложение на Херман Вайл, което би могло да ни насочи по верния път. Но дори и тогава теоретиците ще трябва да действат самостоятелно, без сериозни възможности за експериментална подкрепа.

Обаче на хоризонта започва да се откроява и един друг подход, тясно обвързан с реалните данни. Той е следствие на информационната революция. По принцип квантовите системи могат да бъдат използвани за създаването на много по-мощни компютри от съществуващите в момента. Ако това се реализира, тогава основите на квантовата механика ще могат да бъдат проверени върху много по-сложни физични системи. А и ако квантовата механика наистина се нуждае от някакви принципни изменения, то тези компютри може би няма да могат да функционират по очаквания начин. Ако това се окаже вярно, то ще представлява още един пример за това, как една революция в технологията може да даде тласък на фундаменталната наука.

Превод: С. Рашев

James Bjorken, “The Future of the Quantum Theory”,

Beam line, 30 (Summer/Fall 2000) No. 2.

* Известен теоретик с приноси в развитието на кварк-партонния модел на елементарните частици, ръководител на теоретичния отдел на Националната ускорителна лаборатория “Ферми” в Батавия, Чикаго.

Advertisements