Роджер Пенроуз - Что означает квантовая теория?

Квантовая теория и танец с относительностью: видение Пенроуза. Квантовая теория уже давно поражает своей способностью объяснять поведение мельчайших частиц, но она, как известно, противоречит обширным, всеобъемлющим законам общей теории относительности, которые управляют целыми галактиками и тканью пространства-времени. В основе этой головоломки лежит глубокий вопрос: что на самом деле означает квантовая теория и могут ли ее правила сосуществовать с правилами относительности? Квантовый мир настаивает на том, что частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно благодаря принципу суперпозиции. Но этот принцип приводит к странным сценариям — вспомните кота Шредингера, который одновременно жив и мертв, или один объект, существующий в двух местах — вещи, которые никогда не появляются в нашей повседневной реальности. Проблема становится еще более запутанной, когда в игру вступает гравитация, как описано в общей теории относительности. Относительность рассматривает гравитацию не как силу, а как кривизну самого пространства-времени, сформированную массой и энергией. Итак, что происходит, когда квантовый объект достаточно тяжел, чтобы нельзя было игнорировать его собственную гравитацию? Представьте себе квантовый эксперимент на столе, но теперь тонкое притяжение гравитации имеет значение. Квантовые правила позволяют рассматривать гравитацию как еще одну силу, но радикальная точка зрения Эйнштейна о том, что гравитация неотличима от ускорения, требует более глубокого анализа. Преобразования между различными системами отсчета означают, что волновая функция, математическое сердце квантовой теории, смещается таким образом, что ее нельзя игнорировать, если существует суперпозиция двух различных гравитационных полей. Это приводит к странному понятию «двух разных вакуумов» — концепции из квантовой теории поля, которая намекает на невозможные суперпозиции и предполагает, что текущая структура является неполной. Эта дилемма вакуума означает, что квантовая суперпозиция не может длиться вечно. Существует вычислимый предел времени, после которого система должна «выбрать» единую реальность. Это указывает на необходимость новых правил — квантовая теория в том виде, в каком она существует, не может быть полной, когда речь идет о гравитации. Большинство физиков утверждают, что квантовая механика является более фундаментальной, и что гравитация должна быть сделана так, чтобы она соответствовала ее структуре, возможно, путем изобретения квантовой теории гравитации. Но есть убедительный аргумент в пользу того, чтобы рассматривать квантовую теорию и общую теорию относительности как равные, каждая из которых имеет основополагающие принципы, слишком мощные, чтобы их игнорировать или просто подчинять другой. В конце концов, общая теория относительности предсказывает черные дыры и другие космические явления, которые ньютоновская физика никогда не могла предсказать. Путь вперед может быть союзом равных — новой, более глубокой теорией, которая берет лучшее как из квантовой механики, так и из общей теории относительности, изменяя каждую из них по мере необходимости. Существует даже провокационное предположение, что в самые ранние моменты существования Вселенной классическая физика могла быть достаточной, а квантовая гравитация играла роль только в самых экстремальных средах, таких как сингулярности черных дыр. Продолжается поиск этого гармоничного союза, теории, которая, наконец, покажет, что означает квантовая теория в великой картине космоса. До тех пор танец между очень маленьким и очень большим остается одним из величайших приключений в науке.