To av de viktigste grunnleggerne av kvantefysikk, Einstein og Schrödinger, var dypt skeptiske til implikasjonene om usikkerhet og virkelighetens natur. I dag er den ortodokse lesningen at usikkerhet faktisk er et iboende trekk ved kvantesystemer, ikke en refleksjon av vår egen mangel på kunnskap. Men Oxford-fysiker Tim Palmer argumenterer nå for at kaosteori viser at kvanteusikkerhet faktisk skyldes vår egen uvitenhet, ikke virkeligheten i seg selv. Dette kan få vidtrekkende konsekvenser for vår evne til å kombinere kvantemekanikk med generell relativitetsteori.
Alle vet at langsiktige værmeldinger er usikre. Det er på grunn av de irriterende sommerfuglene. Uobservert slår de med vingene, noe som får uforutsette stormer til å dukke opp uker senere. Dette er metaforen som brukes til å beskrive uforutsigbarheten til kaotiske systemer: små usikkerhetsmomenter i startforholdene til et system vokser og vokser til de fullstendig ødelegger nøyaktigheten til enhver prognose. I denne metaforen er ikke sommerfuglene selv usikre på tilstanden til vingene deres, det er oss mennesker som er usikre på dem. Filosofer kaller dette «epistemologisk» usikkerhet – usikkerhet knyttet til mangel på kunnskap.
FORSLAG TIL LESING
Vi forstår fortsatt ikke måleproblemet
Av SabineHossenfelder
Men i henhold til det ortodokse synet om kvantemekanikk, vår mest vellykket testede teori om fysikk, er usikkerheten ikke alltid av denne epistemologiske typen. Kvantemekanikk beskrives vanligvis som en teori om atomer og subatomære partikler, men i sannhet antas det å være en teori som underbygger alt i verden, inkludert været og galaksene – hele virkeligheten. I følge ortodokse syn er det en iboende usikkerhet om hva som skjer med et kvantesystem når vi prøver å observere det. I observasjonsøyeblikket kollapser kvantetilstanden til et system tilfeldig fra en superposisjon av mulige tilstander til et bestemt utfall. I følge denne beretningen er tilfeldighet innlemmet i kvantemekanikkens grunnleggende ligninger. Dette innebærer igjen at kvanteusikkerhet ikke er rent epistemologisk, men i tillegg er “ontologisk”, noe som betyr at virkeligheten i seg selv er usikker. Men dette ortodokse synet hviler på en sjeldent tvilt antagelse. Kaosteori gir sterk motivasjon for å stille spørsmål ved antagelsen. Å avvise den betyr at usikkerheten i kvantemekanikken tross alt kan være av samme epistemologiske type som kaosteoriens.
___
Standard diskusjoner om Bells ulikhet avsluttes med å konkludere med at kvanteusikkerhet ikke i bunn og grunn skyldes vår usikkerhet om kvanteverdenen, men på grunn av måten kvantevirkeligheten i seg selv er.
___
To av grunnleggerne av kvantemekanikken mente ideen om at virkeligheten var usikker var latterlig, og som et resultat nektet de å tro at kvantemekanikk, i sin nåværende tilstand, var det siste ordet om emnet. Erwin Schrödinger utviklet sitt berømte katteeksperiment for å vise at denne tolkningen av kvantemekanikk fører til meningsløse katter som er halvt levende og halvt døde, og Albert Einstein bemerket, i forbitrelse, at Gud absolutt ikke spiller terninger. Og likevel, til tross for dette, tror de fleste fysikere i dag at kvantemekanikk er det siste ordet når det gjelder kvantefysikk og det der er derfor et element av iboende ontologisk usikkerhet om verden rundt oss. Kvanteusikkerhet, vil disse fysikerne hevde, har ingenting å gjøre med sommerfugleffekten: kvanteusikkerhet er mye mer radikal.
Så hvorfor avviser dagens konsensus bekymringene til Einstein og Schrödinger? Den viktigste årsaken stammer fra et kvantefenomen som Schrödinger selv kalte entanglement. Spesifikt kan to partikler sendes ut fra en kilde, slik at egenskapene til de to partiklene – for eksempel deres vinkelmomenta (også kjent som spinn) er korrelert. Dette i seg selv er ikke nødvendigvis rart. Imidlertid viste den nordirske fysikeren John Bell at under tilsynelatende rimelige forutsetninger, er disse korrelasjonene, passende kombinert, begrenset i størrelse. Dette kalles Bells teorem. Nobelprisen for fysikk i 2022 ble gitt til tre fysikere (Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger) som viste at i praksis kan de kombinerte korrelasjonene overskride denne grensen. Derfor må en eller flere av disse tilsynelatende rimelige antakelsene være feil.
Standardtolkningen av dette eksperimentelle resultatet er at det bekrefter at kvanteusikkerhet er ontologisk, ikke epistemologisk. Det vil si at usikkerhet er et trekk ved virkeligheten i seg selv, ikke en refleksjon av grensene for vår kunnskap. Selvfølgelig er dette en så oppsiktsvekkende konklusjon at fysikere har lett etter andre måter å forklare Bells teorem på. Det finnes faktisk en alternativ tolkning, men den er for rar til å være plausibel. Den forutsetter at innstillingene for apparatet som måler spinnet til en av de sammenfiltrede partiklene på en eller annen måte påvirker måleresultatet for den andre partikkelen. Det er en merkelig forklaring fordi den antyder det Einstein kalte “skummel handling på avstand” – ideen om at det som skjer med en partikkel øyeblikkelig kan påvirke en annen, fjern partikkel. Einstein likte ikke skummel handling på avstand, og det gjør heller ikke jeg, eller faktisk de fleste fysikere jeg kjenner. Så standarddiskusjoner om Bells ulikhet ender med å konkludere med at kvanteusikkerhet ikke fundamentalt skyldes våre usikkerhet om kvanteverdenen, men på grunn av måten kvantevirkeligheten i seg selv er.
Det viser seg imidlertid at det er en annen antagelse i det som kalles Bells teorem. Det er en som fysikere intuitivt tror er sann og derfor ikke har en tendens til å stille spørsmål. Imidlertid bør de. Antakelsen gjelder gyldigheten av en måte å tenke på som er en annen natur for oss: kontrafaktisk resonnement. Nedenfor vil jeg vise at kaosteori sår tvil om en ubestridt tro på gyldigheten av kontrafaktisk resonnement.
___
Egenskapene til fraktaler kan utnyttes til å prøve å forklare hvorfor en hel klasse av kontrafaktiske verdener kan være inkonsistente med fysikkens lover.
___
Tenk deg at du kaster en stein, og den treffer et vindu og knuser den. Fikk du vinduet til å knuse? Kanskje, ute av syne, kastet noen en ekstra stein øyeblikk tidligere, og det var den andre steinen som fikk vinduet til å knuse. Det ville du ikke være i tvil om du fikk vinduet til å knuse hvis man kunne hevde at i en kontrafaktisk verden hvor man ikke kastet steinen, knuste ikke vinduet.
I denne kontrafaktiske verdenen ville Jupiters måner gå i bane på samme måte som de gjør i den virkelige verden. Det eneste som er annerledes er at steinen ikke blir kastet. Selv om det ikke skjedde i virkeligheten, er en slik kontrafaktisk verden likevel i samsvar med fysikkens lover som representert ved Newtons bevegelseslover. Denne appellen til kontrafaktiske muligheter er så dypt forankret i vår intuisjon at vi stoler på den hele tiden for å utlede kausalitet i den virkelige verden.
FORESLÅTT VISNING
Kvantegalskapen
Med Jim Baggott
Det viser seg at Bells teorem avhenger av en antakelse om at visse hypotetiske alternative spinnmålinger – de som kunne tenkes å ha blitt utført på de sammenfiltrede partiklene, men som ikke ble det – er tillatt av kvantefysikkens lover. Det vil si at Bells teorem antar at kontrafaktiske kvantemålinger nødvendigvis er i samsvar med fysikkens lover. Dette er antagelsen som fysikere ikke liker å tro kan være feil. Hvis disse kontrafaktiske verdenene viser seg å være inkonsistente med fysikkens lover, vil våre intuitive ideer om kausalitet også vise seg å være feil.
Kaosteori gir en enkel måte å forstå situasjoner der kontrafaktiske verdener faktisk er inkonsekvent med fysikkens lover. For å forstå dette må jeg si litt mer om sommerfugleffekten. Det ekstraordinære som meteorolog Ed Lorenz oppdaget, tidlig på 1960-tallet, er at hvis du starter hans enkle kaotiske system fra en hvilken som helst starttilstand og lar staten utvikle seg, vil du til slutt se staten spore opp en bemerkelsesverdig fraktalgeometri. En fraktal geometri er en som har en struktur som aldri går tapt, uansett hvor langt du zoomer inn i geometrien. Spesielt har den hull som aldri forsvinner mens du fortsetter å zoome. Dette er ganske annerledes enn klassisk euklidisk geometri, som overflaten til en kule, som ser flat og kjedelig ut hvis du zoomer nok inn på den.
En Lorenz-attraksjon
Disse egenskapene til fraktaler kan utnyttes til å prøve å forklare hvorfor en hel klasse av kontrafaktiske verdener kan være inkonsistente med fysikkens lover. Men for å forstå dette, må vi tenke stort, veldig stort. Vi må anta at hele universet, og bokstavelig talt alt det er i det, til sammen er et kaotisk system som utvikler seg nøyaktig på en kosmisk fraktalgeometri. I dette bildet er det ingen garanti for at hypotetiske kontrafaktiske verdener som du rett og slett kokte opp i hodet ditt, vil ligge på denne fraktale geometrien. Hvis de ikke gjør det, vil disse kontrafaktiske verdenene være inkonsistente med fysikkens antatte geometriske lover.
I en serie tekniske artikler har jeg utviklet en matematisk modell der de kontrafaktiske verdenene som oppstår når du prøver å bevise Bells teorem gjør ikke ligge på den antatte fraktale geometrien til universet. Dette betyr at kvanteusikkerhet virkelig kunne være epistemologisk tross alt, og derav at virkeligheten er bestemt og konkret slik vi vanligvis tar den for å være.
___
En kaosbasert modell av kvantefysikk der usikkerhet er epistemologisk kan ha en mye bedre sjanse for å være gift med generell relativitetsteori enn en der kvanteusikkerhet er ontologisk.
___
Selv om dette kanskje er interessant filosofisk, har det noen konsekvens for ekte fysikk? Kan være. Den hellige gral av teoretisk fysikk er foreningen av kvante- og gravitasjonsfysikk. Fysikere har forsøkt å syntetisere disse to områdene av fysikk de siste 70 årene eller mer, så langt uten å lykkes. Noen mener at Einsteins generelle relativitetsteori trenger en radikal overhaling før en slik forening er mulig. Men etter mitt syn er det omvendt. En kaosbasert modell av kvantefysikk der usikkerhet er epistemologisk kan ha en mye bedre sjanse for å være gift med generell relativitetsteori enn en der kvanteusikkerhet er ontologisk.
FORSLAG TIL LESING
Virkeligheten er bare en kvantebølgefunksjon
Av AlyssaNey
Det er imidlertid noe annet å trekke ut av denne diskusjonen. Hvis denne fraktale geometriske modellen er riktig, vil den signalisere slutten på det som kalles “metodologisk reduksjonisme” i fysikk: ideen om at for å få en dypere forståelse av verden rundt oss, må vi undersøke mindre og mindre skalaer. Dette er filosofien – vellykket til dags dato – som ligger til grunn for utviklingen av partikkelkollidere. Imidlertid kan det være at denne filosofien har gått sin gang og at for å få en dypere forståelse av verden, må vi i stedet undersøke ikke de minste, men de aller største strukturene i universet som helhet. Buzzwordet for fremtiden kan være et som tidligere har blitt hånet for lukten av new-age mumbo-jumbo-mystikk: holisme. Og likevel, hvis fysikkens lover beskriver en fraktal tilstandsromgeometri som tilstander i universet utvikler seg på, så vil disse lovene være dypt holistiske.
Dette mener jeg viser hvor viktig det er å forstå begrepet usikkerhet.
Tim Palmers bok Tvilens forrang av Basic Books og Oxford University Press er ute 18. oktoberth2022.