Контактуючи один з одним, паралельні світи породжують квантові явища
Понад століття вченим відомо, що всі явища у фізиці не можуть бути пояснені єдиної теорією. У світі масивних об`єктів править класична механіка і Теорія відносності Ейнштейна, тоді як мікроскопічні об`єкти, такі як елементарні частинки, підпадають під дію законів квантової механіки.
Цей розкол науки давно хвилює фізиків, і вони постійно роблять спроби сформулювати так звану Теорію всього, щоб відкрити двері в світ Нової фізики.
Контактуючи один з одним, множинні "класичні" світи породжують квантові явища (ілюстрація fdecomite / Flickr).
Тепер вчені-теоретики сформулювали незвичайну гіпотезу, яка могла б пояснити гармонію класичної та квантової фізики: множинні паралельні світи, кожен з яких працює за законами звичайної механіки, періодично стикаються, і тут виникають квантові явища.
Так, наприклад, можна елегантно пояснити дивну квантове явище під назвою суперпозиція, при якому частка може приймати два або навіть кілька станів одночасно, поки не втрутиться спостерігач і не виміряє систему.
"Наша гіпотеза являє собою фундаментальний ривок вперед від попередніх інтерпретацій явищ квантового світу", - Говорить провідний автор дослідження Говард Вайсман (Howard Wiseman) з університету Гріффіта в Брісбені, Австралія.
Колишні спроби примирити класичну механіку з квантової полягали в створенні різних математичних структур. Одна з найстаріших інтерпретацій представляє класичний світ у вигляді слідства існування множинних квантових світів. Цей теоретичний підхід про декілька одночасно існуючих світах, відомий як многоміровая інтерпретація, був описаний в 1950 році американським теоретиком Х`ю Евереттом (Hugh Everett).
На відміну від гіпотези Еверетта, який писав, що множинні світи ніяк не стикаються і не контактують один з одним, формулювання Вайсмана і його колег передбачає, що існуючі класичні світи знаходяться в контакті один з одним і постійно взаємодіють.
Сам по собі, кожен світ підпорядковується законам класичної ньютонівської фізики. Але взаємодії цих світів породжують явища, які фізики зазвичай приписують квантовому світу.
Ці взаємодії між світами вчені спробували описати математично. Наприклад, в квантовій фізиці існує таке явище, яке називають тунельним ефектом: частка з квантовими властивостями, наприклад, фотон, проходить через якийсь енергетичний бар`єр, при цьому її власна енергія виявляється менше енергії бар`єру, який їй необхідно подолати. Класична механіка не може пояснити такого явища, але в квантовому світі воно зустрічається часто.
Уайзман каже, що за його сценарієм, коли два класичних світу наближаються до енергетичного бар`єра з різних сторін, то один з них буде нарощувати швидкість, а інший в кінцевому підсумку отскачет назад. Таким чином рухається світ пройде через, здавалося б, нездоланний бар`єр, і з боку це буде виглядати як квантове тунелювання частинки.
Фізики описують кілька інших прикладів квантових явищ, які також можуть бути пояснені контактом множинних класичних світів. Так, згідно з їх моделі, 41 взаємодіє світ може привести до квантової інтерференції, яка спостерігається в знаменитому експерименті з двома щілинами Томаса Юнга.
Експеримент з двома щілинами є одним з найзагадковіших явищ квантового світу (ілюстрація Wikimedia Commons).
Нагадаємо, що в ході цього експерименту частки світла випускаються в сторону екрану, але на їх шляху стоять дві щілини. За ідеєю, одна неподільна частка не може розмножитися і пройти через обидві щілини одночасно, вона повинна пройти тільки через одну з них. Саме так і відбувається, якщо поряд спостерігач, який реєструє, через яку саме щілину пройшов кожен фотон. Але якщо спостерігача і детектора немає, то частки світла поводяться як хвиля і залишають на екрані інтерференційний малюнок, характерний для хвиль. Саме так була підтверджена квантова двоїста корпускулярно-хвильова природа світла.
"Зрозуміло, нам не вдалося відповісти на абсолютно всі загадки квантового та класичного світу, ми лише стверджуємо, що деякі квантові явища можуть бути пояснені взаємодією множинних класичних світів. Наша гіпотеза ще не може пояснити явища квантової заплутаності, але ми працюємо над цим", - Розповідає Вайсман, чия стаття в співавторстві з колегами вийшла в журналі Physical Review X.
В майбутньому команда Вайсмана планує залучити до своєї роботи більше інших теоретиків і з`ясувати, які умови і сили потрібні для здійснення контакту множинних світів. А пізніше вченим належить придумати експеримент, який міг би на практиці підтвердити вірність їх підходу.
____________
Теорія всього (англ. Theory of everything, TOE) - Гіпотетична об`єднана фізико-математична теорія, що описує всі відомі фундаментальні взаємодії. Спочатку цей термін використовувався в іронічному ключі для позначення різноманітних узагальнених теорій [1]. Згодом термін закріпився в популяризації квантової фізики для позначення теорії, яка б об`єднала всі чотири фундаментальні взаємодії в природі. У науковій літературі замість терміна «теорія всього» використовується термін «єдина теорія поля», проте слід мати на увазі, що теорія всього може бути побудована і без використання полів, незважаючи на те, що науковий статус таких теорій може бути спірним.
Протягом двадцятого століття було запропоновано безліч «теорій всього», але жодна з них не змогла пройти експериментальну перевірку, чи існують значні труднощі в організації експериментальної перевірки для деяких з кандидатів. Основна проблема побудови наукової «теорії всього» полягає в тому, що квантова механіка і загальна теорія відносності (ЗТВ) мають різні сфери застосування. Квантова механіка в основному використовується для опису мікросвіту, а загальна теорія відносності застосовна до макросвіту. СТО (Спеціальна теорія відносності) описує явища при великих швидкостях, а ОТО є узагальненням ньютонівської теорії гравітації, яка об`єднує її зі СТО та розповсюджує на випадок великих відстаней і великих мас. Безпосереднє поєднання квантової механіки та спеціальної теорії відносності в єдиному формалізмі (квантової релятивістської теорії поля) призводить до проблеми розбіжність - відсутність кінцевих результатів для експериментально перевіряються величин. Для вирішення цієї проблеми використовується ідея перенормировки величин. Для деяких моделей механізм перенормировок дозволяє побудувати дуже добре працюють теорії, але додавання гравітації (тобто включення в теорію ОТО як граничного випадку для малих полів і великих відстаней) призводить до розбіжність, які прибрати поки не вдається. Хоча з цього зовсім не випливає, що така теорія не може бути побудована.
