Mechanika kwantowa od ponad stu lat stanowi podstawę naszego rozumienia świata cząstek elementarnych. Pozwala wyjaśniać zachowanie atomów, elektronów i fotonów, a dodatkowo opisuje zjawiska występujące w nowoczesnych technologiach. Jednocześnie jej matematyczne fundamenty skrywają zagadkę, która do dziś nie doczekała się powszechnie akceptowanego rozwiązania.
Czytaj też: 43% więcej energii bez większego akumulatora. Chiny pokazały, jak powinien rozwijać się elektryk
Chodzi o probabilistyczny charakter rzeczywistości kwantowej. W przeciwieństwie do klasycznej fizyki, w której znajomość odpowiednich warunków początkowych pozwala zasadniczo przewidywać dalszy przebieg zdarzeń, mechanika kwantowa często dostarcza jedynie prawdopodobieństwa uzyskania określonego wyniku pomiaru.
Jednym z najbardziej znanych przykładów dziwności świata kwantowego jest słynny eksperyment myślowy z kotem Schrödingera. Przypomnijmy: zwierzę znajduje się pudełku wraz z mechanizmem zależnym od losowego zdarzenia kwantowego. Zgodnie z opisem kwantowym, zanim dokonamy pomiaru, cały układ może znajdować się w superpozycji stanów odpowiadających kotu żywemu i martwemu.
Dopiero otwarcie pudełka i dokonanie obserwacji prowadzi do uzyskania konkretnego wyniku. Właśnie to przejście od kombinacji możliwych stanów do jednego zaobserwowanego rezultatu stanowi istotę tzw. problemu pomiaru. Kluczową rolę odgrywa tutaj reguła Borna, nazwana na cześć niemieckiego fizyka Maxa Borna. Jest to matematyczna zasada pozwalająca przeliczać informacje zawarte w opisie stanu kwantowego na prawdopodobieństwa uzyskania konkretnych wyników eksperymentu. Co istotne, reguła ta nie pochodzi z bardziej podstawowych zasad. Twórcy mechaniki kwantowej przyjęli ją jako jeden z fundamentalnych postulatów teorii.
Jiaxuan Zhang z Uniwersytetu Oksfordzkiego postanowiła zająć się tą sprawą i przez około dwa lata analizowała pięć wpływowych prób matematycznego wyprowadzenia reguły Borna. Poszczególne podejścia opierały się na różnych koncepcjach fizycznych i matematycznych. Wykorzystywała między innymi symetrię, splątanie kwantowe oraz teorię decyzji stosowaną w interpretacjach zakładających istnienie wielu światów. Zhang przyjęła podejście niezależne od konkretnej interpretacji mechaniki kwantowej. Skupiła się przede wszystkim na matematycznych założeniach wykorzystywanych w poszczególnych dowodach.
Czytaj też: Nowa rzeczywistość w przetwarzaniu ropy naftowej. Naukowcy wywołali ogromny spadek zużycia energii
Wyniki analizy okazały się niepokojące dla zwolenników deterministycznego wyjaśnienia mechaniki kwantowej. Badaczka odnotowała, iż wszystkie pięć analizowanych wyprowadzeń wymagało wykorzystania pewnej wersji zasady addytywności. Na czym ona polega? Najprościej wyjaśnić to na przykładzie zwykłej kostki do gry. Prawdopodobieństwa wyrzucenia poszczególnych wyników – od jedynki do szóstki – muszą sumować się do 100 procent. Jest to właśnie przykład addytywności prawdopodobieństw.
Problem polega na tym, że jeżeli zasada ta jest już obecna w założeniach matematycznych, trudno twierdzić, że udało się wyprowadzić prawdopodobieństwo z całkowicie deterministycznych fundamentów. Co ciekawe, Zhang nie uważa swoich badań za ostateczne rozstrzygnięcie. Zamierza przeanalizować kolejne próby wyprowadzenia reguły Borna i nie wyklucza, że istnieją jeszcze matematyczne rozwiązania pozwalające oprzeć ją na bardziej deterministycznych zasadach.
Źródło: New Scientist
