Чи є фізика детермінованою?

Чи є фізика детермінованою?

Дослідники з Австрійської академії наук, Віденського університету та Женевського університету запропонували нову інтерпретацію класичної фізики без дійсних чисел. Це нове дослідження кидає виклик традиційному детерміністському погляду на класичну фізику.


У класичній фізиці зазвичай передбачається, що якщо ми знаємо, де знаходиться об'єкт і яка його швидкість, ми можемо точно передбачити, куди він буде рухатися. Передбачуваний вищий розум, що володіє знанням всіх існуючих в даний час об'єктів, зможе з упевненістю знати майбутнє, а також минуле всесвіту з нескінченною точністю.

П'єр-Сімон Лаплас проілюстрував цей аргумент, пізніше названий демоном Лапласа, на початку 1800-х років, щоб проілюструвати концепцію детермінізму в класичній фізиці. Зазвичай вважається, що тільки з появою квантової фізики був поставлений під сумнів детермінізм. Вчені з'ясували, що не все можна сказати з упевненістю, і ми можемо тільки розрахувати ймовірність того, що щось може поводитися певним чином.

Але чи дійсно класична фізика є повністю детермінованою? Флавіо Дель Санто, дослідник Віденського інституту квантової оптики та Австрійської академії наук і Ніколас Гізен з Женевського університету, вирішують це питання у своїй новій статті "Фізика без детермінізму: альтернативні інтерпретації «Класичної фізики».

Спираючись на попередні роботи останнього автора, вони показують, що звичайна інтерпретація класичної фізики заснована на неявних додаткових припущеннях.

Коли ми вимірюємо щось, скажімо, довжину столу за допомогою лінійки, ми знаходимо це значення з кінцевою точністю, тобто з кінцевим числом цифр. Навіть якщо ми будемо використовувати більш точний вимірювальний інструмент, ми просто знайдемо більше цифр, але все одно їх кінцеве число.

Проте класична фізика припускає, що навіть якщо ми не зможемо виміряти їх, існує нескінченна кількість заздалегідь визначених цифр. Це означає, що довжина столу завжди ідеально визначена.

Тепер уявіть, що ви граєте в настільну гру типу Багатель (як на малюнку), де дошка заповнена стовпчиками. Коли маленька кулька котиться по дошці, вона вдаряється об стовпчики і пересувається праворуч або ліворуч від кожного з них. У детермінованому світі досконале знання початкових умов, при яких м'яч входить в дошку (його швидкість і положення), однозначно визначає шлях, яким буде йти м'яч між перешкодами.

Класична фізика передбачає, що якщо ми не можемо отримати один і той же шлях в різних серіях, то це тільки тому, що на практиці ми не змогли встановити точно однакові початкові умови. Наприклад, тому що у нас немає нескінченно точного вимірювального інструменту, щоб встановити початкову позицію м'яча при вході в дошку.

Автори нового дослідження пропонують альтернативний погляд: після певної кількості зіткнень майбутнє м'яча дійсно випадково, навіть в принципі, і не через обмеження наших вимірювальних приладів.

При кожному попаданні в стовпчик м'яч має певну схильність до відскоку справа або зліва, і цей вибір не визначається апріорі (не відомий заздалегідь). Для перших декількох попадань шлях може бути визначений з упевненістю, тобто схильність становить 100% для однієї сторони і 0% для іншої.

Однак після певної кількості висновків вибір не визначений, і схильність поступово досягає 50% для правого напрямку і 50% для лівого для віддалених висновків. Таким чином, можна вважати, що кожна цифра довжини нашого столу визначається процесом, аналогічним вибору руху вліво або вправо при кожному ударі маленької кульки. Тому після певної кількості цифр довжина більше не визначається.

Таким чином, нова модель, введена дослідниками, відмовляється від звичайного приписування фізичного значення математичним дійсним числам (числам з нескінченними заздалегідь визначеними цифрами).

Замість цього говориться, що після певного числа цифр їх значення стають дійсно випадковими, і тільки схильність до певного значення чітко визначена. Це призводить до нового розуміння відносин між класичною і квантовою фізикою.

Фактично, коли, як і за яких обставин невизначена кількість приймає певне значення, є загальновідомим питанням в основах квантової фізики, відомої як проблема квантових вимірювань.

Це пов'язано з тим, що в квантовому світі неможливо спостерігати реальність, не змінюючи її. Фактично, значення вимірювання на квантовому об'єкті ще не встановлено, поки спостерігач фактично не виміряє його.

Нове дослідження, з іншого боку, вказує на те, що те ж саме питання завжди могло бути приховане за заспокійливими правилами класичної фізики.