Что, если привычный нам физический мир — это не объективная реальность, а лишь упорядоченная информация о ней? В новом выпуске научно-популярного канала PBS Space Time ведущий разбирает информационную интерпретацию квантовой механики, предложенную выдающимися физиками XX и XXI веков. В центре дискуссии — идеи Нильса Бора, Джона Уилера и Антона Цайлингера, которые заставляют переосмыслить самые основы устройства Вселенной.
🧠 Физика как модель нашего восприятия 0:00
Нильс Бор однажды заметил, что ошибочно думать, будто задача физики — выяснить, как устроена природа. По его мнению, физика касается исключительно того, что мы можем сказать о природе. Если обратить внимание на это тонкое различие, то многие таинственные аспекты квантового мира начинают обретать смысл.
Законы природы, которые формулируют ученые, не управляют Вселенной напрямую — это всего лишь модели. Электрону вовсе не нужно решать уравнение Шрёдингера, чтобы двигаться по своей орбите. Физики создают законы, которые лучше всего предсказывают работу Вселенной, и надеются на основе их эффективности сделать выводы о скрытой истине.
Однако отцы-основатели квантовой теории были убеждены, что роль физики еще сильнее отдалена от объективной реальности. Бор настаивал, что наука моделирует результаты наблюдений, а не сам мир. Его ближайший коллега Вернер Гейзенберг подчеркивал, что математические законы квантовой теории имеют дело уже не с самими элементарными частицами, а с нашими знаниями о них. Таким образом, законы физики являются моделями нашего опыта восприятия реальности, то есть моделируют информацию об окружающем мире.
🕹️ «Всё из бита»: Радикальный взгляд Джона Уилера 1:47
В рамках информационного подхода к квантовой механике существует знаменитая радикальная концепция Джона Арчибальда Уилера, которую он емко описал выражением «всё из бита» (it from bit). По мнению Уилера, информация является самой фундаментальной сущностью, которая в итоге порождает все физические объекты.
Квантовая механика наглядно демонстрирует, что вопросы, которые мы задаем Вселенной, радикально меняют ее поведение. Уилер довел этот факт до логического завершения: фундаментальное существование кроется не в изолированных объектах, а в самих отношениях между наблюдателем и наблюдаемым. При этом физик отдельно оговаривал, что «наблюдатель» в данном контексте не обязательно должен обладать сознанием. Силу информационного подхода можно исследовать, даже не принимая столь радикальную философию, а просто используя ее как инструмент для снятия парадоксов.
🔢 Кванты информации Антона Цайлингера 2:41
В классической физике принято разбивать мир на элементарные физические компоненты — частицы и поля, которые в квантовом мире принимают дискретные значения. Однако австрийский физик Антон Цайлингер предложил принципиально иной подход: разделять мир не на физические, а на информационные составляющие.
Поскольку информация представляет собой наши знания о мире, новым строительным блоком реальности становится утверждение о параметрах частицы (ее положении, скорости или массе). Цайлингер называет такое утверждение «пропозицией» (суждением). По его мнению, любая квантовая система — это просто набор таких суждений.
Чтобы разбить мир, состоящий из информации, нужно найти минимальный элемент. Самым мелким информационным блоком является ответ на вопрос с наименьшим количеством возможных исходов — то есть бинарный вопрос, требующий ответа «да» или «нет». Цайлингер утверждает, что любую квантовую систему можно разложить на результаты таких бинарных вопросов. Если постулировать, что элементарный информационный блок содержит ровно один бит данных, то многие странности квантовой механики — такие как квантовая неопределенность, запутанность и принцип неопределенности — становятся естественным и ожидаемым поведением информационной системы.
🧲 Эксперимент Штерна-Герлаха и природа квантового спина 5:06
Проще всего проиллюстрировать этот подход на примере квантового спина, где ответ на один бинарный вопрос дает исчерпывающую физическую картину. С физической точки зрения спин часто представляют как ориентацию оси вращения частицы («вверх» или «вниз»). Но в информационной концепции квантовая система — это лишь ответ на вопрос: «Направлен ли спин вверх или вниз относительно выбранного направления измерения?».
Этот вопрос физики задают с помощью аппарата Штерна-Герлаха, где магнитный момент частиц взаимодействует с градиентом магнитного поля, отклоняя их вверх или вниз. Если подготовить электрон так, чтобы его спин был направлен «вверх» относительно прибора, система будет содержать ровно один бит информации. На вопрос о вертикальной ориентации электрон всегда ответит «вверх».
Однако если повернуть аппарат Штерна-Герлаха на 90 градусов и задать электрону другой вопрос: «Направлен ли твой спин влево или вправо?» — ситуация кардинально изменится. По определению Цайлингера, элементарная система спина может содержать только один бит информации, и он уже занят вертикальной ориентацией. Это означает, что горизонтальная ориентация физически не определена и находится в состоянии суперпозиции.
При прохождении через горизонтальный аппарат электрон вынужден сделать случайный выбор с вероятностью 50/50 просто потому, что в нем изначально не содержалось информации на этот счет. После измерения горизонтальный спин становится определенным, но поскольку лимит в один бит превысить нельзя, информация о вертикальном спине полностью стирается, и он снова становится неопределенным. Рассматривая квантовые системы как наборы элементарных квантов информации, физики видят, что квантовая неопределенность возникает совершенно естественно. Цайлингеру даже удалось вывести аналог уравнения Шрёдингера, основываясь исключительно на том, как квантовая информация должна развиваться во времени.
🕸️ Запутанность как нелокальное распределение данных 7:17
Феномен квантовой запутанности также органично вписывается в информационную модель. Можно приготовить пару электронов так, чтобы их спины были противоположны друг другу. В рамках концепции Цайлингера требование о том, что спин каждого электрона может содержать только один бит информации, сохраняется. Однако теперь этот бит тратится на описание связи частицы со своим партнером.
В такой системе информация больше не изолирована внутри одного электрона, а распределена между ними нелокально. Два электрона содержат два бита информации, но эти биты разнесены в пространстве. Если измерить спин одного из электронов относительно измерительного прибора, наблюдатель мгновенно узнает направление спина второй частицы. В момент измерения единственный бит информации в обоих электронах вынужден стать определенным локально. Это создает иллюзию мгновенной передачи сигнала на расстояние — то самое «жуткое дальнодействие», которое смущало критиков квантовой теории.
🌊 Волновая дуальность и энтропийная неопределенность 8:50
Информационный подход позволяет по-новому взглянуть и на знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Обычно под ним понимают ограничение на одновременное точное измерение координаты и импульса частицы, произведение погрешностей которых должно превышать постоянную Планка, деленную на 4π.
Используя инструменты теории информации, физики смогли вывести еще более строгое соотношение, известное как энтропийная неопределенность. В ее основе лежит энтропия Шеннона — мера количества вопросов с ответами «да/нет», необходимых для полного извлечения информации из системы.
В 2014 году группа физиков применила энтропийную неопределенность для анализа знаменитого эксперимента Уилера с отложенным выбором. Этот эксперимент демонстрирует, что фотон ведет себя как волна или как частица в зависимости от того, какой вопрос ему задается, причем выбор вопроса можно сделать даже после того, как фотон прошел через основную часть установки. Если фотон ведет себя как волна, он проходит по обоим путям интерферометра; если как частица — только по одному.
Ученые пришли к выводу, что волновая функция содержит только один ответ на два взаимоисключающих (комплементарных) вопроса. Волновая функция рассматриваемого фотона могла предоставить информацию либо о том, какой путь он выбрал, либо о его фазе (через интерференционную картину). Из-за конечного и ограниченного информационного объема волновая функция просто не способна ответить на оба вопроса одновременно. Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм проистекает из фундаментальной невозможности информационной системы ответить на два комплементарных вопроса одновременно: «Являешься ли ты частицей?» и «Являешься ли ты волной?».
🌙 Существует ли Луна, когда на неё никто не смотрит? 11:30
Одно дело — использовать теорию квантовой информации как удобный математический аппарат, и совсем другое — утверждать, что информация первичнее осязаемой материи. Цайлингер и его сторонники считают, что квантовая волновая функция не имеет физического существования, независимого от наблюдателя. Математика квантовой механики описывает наши знания о Вселенной, а не саму Вселенную.
Но если волновая функция отражает лишь информационное содержание системы, неизбежно возникает вопрос, который в свое время мучил еще Уилера: чья именно это информация? Этот же вопрос невероятно беспокоил Альберта Эйнштейна, который иронически спрашивал коллег, действительно ли они верят, что Луна исчезает, когда на нее никто не смотрит.
Сторонники информационной интерпретации (Бор, Уилер, Цайлингер) на это отвечают прямо: вы не можете доказать обратное. Любой процесс познания или фиксации факта по определению требует наличия наблюдателя, который приобретает эти знания. Все, что человечество способно знать о мире, — это лишь то, как оно с ним взаимодействует. Существует ли независимый от наблюдателя мир «сам по себе», мы, будучи наблюдателями, никогда доказать не сможем. По мнению автора видео, Вселенная почти наверняка не является компьютерной симуляцией, однако весь наш прямой опыт взаимодействия с ней ограничен исключительно информационным пространством-временем.
🌌 Вопросы зрителей: Космический каннибализм и звездные столкновения 13:30
Во второй части выпуска ведущий ответил на вопросы зрителей к предыдущему видео, посвященному истории формирования Млечного Пути через поглощение соседних карликовых галактик.
Ведущий разъясняет несколько важных астрофизических аспектов:
- Судьба черных дыр: Центральные черные дыры карликовых галактик, поглощенных Млечным Путем, постепенно смещаются к центру нашей галактики за счет взаимодействия со звездами и в итоге сливаются с нашей сверхмассивной черной дырой. Это один из ключевых механизмов роста сверхмассивных черных дыр до их колоссальных масштабов.
- Галактическая зона обитаемости: Она представляет собой кольцо вокруг галактического диска, однако звезды постоянно мигрируют, заходя в спиральные рукава примерно каждые 100 миллионов лет. Жизнь на Земле смогла пережить эти путешествия, хотя массовые вымирания могут коррелировать с прохождением через опасные регионы галактики.
- Вероятность звездных столкновений: При грядущем слиянии Млечного Пути и Андромеды, в котором будут задействованы около триллиона звезд, прогнозируется всего одно прямое столкновение. Это связано с тем, что размеры звезд измеряются световыми секундами, а расстояния между ними — световыми годами. При касательном столкновении звезды сливаются и «омолаживаются» за счет притока свежего водорода в ядро (так возникают «голубые бродяги» в скоплениях). Лобовое же столкновение с компактным объектом вроде нейтронной звезды или черной дыры способно полностью взорвать и уничтожить рассеянную звезду.
🐘 Сжимается ли материя вместо расширения Вселенной? 16:49
В заключение ведущий разобрал интригующий вопрос: можно ли интерпретировать космологическое расширение Вселенной наоборот — будто это не пространство расширяется, а сама физическая материя внутри него уменьшается в размерах?
С точки зрения относительных масштабов расстояний эти две математические модели абсолютно идентичны. По словам автора канала, против концепции сжимающейся материи говорят несколько фундаментальных факторов:
- Изменение физических констант: Для синхронного уменьшения размеров тел потребовалось бы скоординированное и крайне сложное изменение силы всех фундаментальных физических взаимодействий одновременно.
- Отсутствие красного смещения: При простом сжатии атомов мы бы не наблюдали космологического красного смещения, так как путешествующие в пространстве фотоны не подвергались бы физическому растяжению.
- Принцип бритвы Оккама: Общая теория относительности Эйнштейна напрямую предсказывает расширение самого пространства. Это требует изменения только одной переменной (метрики пространства), а не перестройки всей структуры материи.
В шутку ведущий вспомнил, как в Американском музее естественной истории он успешно убеждал посетителей, будто крошечная бронзовая миниатюра мамонта рядом с огромным скелетом — это настоящий ископаемый «карликовый мамонт», живший одновременно со своим гигантским кузеном. Однако в реальности никаких карликовых мамонтов там не было, как нет и сжимающейся материи — Вселенная действительно расширяется, подчиняясь строгим законам релятивистской физики.
