Пятница , 23 Апрель 2021

Что такое квантовая механика простыми словами: Сознание и существование. Квантовая механика без парадоксов / Хабр

Содержание

Сознание и существование. Квантовая механика без парадоксов / Хабр


Является ли эксперимент с котом Шредингера парадоксом?


Профессор поднял голову от стола и говорит:

– Здравствуй, мальчик. Ты зачем пришёл?

– Я хочу у вас про кота спросить.

– А что про кота?

– Допустим, у вас был кот …

Эдуард Успенский «Дядя Фёдор, пёс и кот»


Квантовая суперпозиция и роль наблюдателя в квантовой физике

Согласно квантовой механике если над частицей не производится наблюдение, то ее состояние описывается как квантовая суперпозиция (когерентная суперпозиция), т.е. смешение всех возможных альтернативных состояний в которых может находится частица.

Например, ядро атома за которым не производится наблюдение может находится в смешанном состоянии распада, вероятность которого скажем 1/4, и не распада, вероятность которого 3/4. Считается, что в момент измерения некоего ее параметра частица выбирает из всех вероятных значений этого параметра некое конкретное, или, иными словами, происходит коллапс волновой функции.

При этом считается, что "поведение индивидуальной частицы случайно". И Копенгагенская интерпретация квантовой механики считает что поведение частицы не может быть предсказано вообще никаким методом.

Т.е. квантовая физика установила что наличие измерения влияет на "поведение" частицы.

Это особенно ярко демонстрирует двухщелевой эксперимент, который показывает что фотоны или электроны ведут себя по разному в зависимости от того наблюдают за ними или нет. Как бы странно это не звучало.


Двухщелевой эксперимент


Мы разберем феномен, который невозможно, абсолютно невозможно объяснить любым классическим способом и в котором заложено сердце квантовой механики. В действительности, он содержит тайну.

(We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery)

Ричард Фейнман, The Feynman Lectures on Physics, Volume III, Chapter 1. Quantum Behavior

Подробнее о двухщелевом эксперименте см. замечательную лекцию Ron Garret The Quantum Conspiracy on Google Tech Talk 2011-01-06, или Загадка квантовой физики — эксперимент с двумя щелями (последнее с русскими субтитрами)

Вкратце этот эксперимент можно описать следующим образом:

Если направлять поток частиц (фотонов или электронов) на чувствительный экран расположенный за экраном в котором имеются две щели, то рисунок следов на экране будет не повторять две щели, как можно было бы ожидать при прохождении частиц, а создавать интерференционную картину как если бы мы пропускали через эти щели волны, каждая из которых, выйдя из источника излучения, одновременно проходит через две щели:

См. также Опыт Юнга.

Причем такая картина наблюдается даже если частицы выпускаются по одной.

Но это в том случае если экспериментатор (наблюдатель) не знает через какую именно щель проходит частица.

Если же, экспериментатор, каким-либо образом пытается зафиксировать через какую именно щель проходит каждая частица, то картина на экране меняется: интерференция исчезает, и картина на экране представляет собой две полосы, так как можно было бы ожидать от потока частиц не являющихся волнами.

Причем эксперимент квантового ластика и эксперимент квантового ластика с отложенным выбором создает впечатление, что частица читает мысли и намерения наблюдателя и ведет себя соответственно.

Ричард Фейнман писал (The Feynman Lectures on Physics, Volume III, Chapter 1. Quantum Behavior):


Поскольку поведение частиц в атомной механике так непохоже на наш повседневный опыт, к нему сложно привыкнуть, и оно настолько своеобразно и непостижимо для любого — будь-то новичок или опытный физик. Даже эксперты не могут его понять используя тот способ мышения к которому они склонны, и это вполне объяснимо, так как весь непосредственный человеческий опыт и человеческая интуиция применимы к большим объекта. Мы знаем как будут вести себя большие объекты, но в малом масштабе это просто не работает таким образом.

(Because atomic behavior is so unlike ordinary experience, it is very difficult to get used to, and it appears peculiar and mysterious to everyone — both to the novice and to the experienced physicist.

Even the experts do not understand it the way they would like to, and it is perfectly reasonable that they should not, because all of direct, human experience and of human intuition applies to large objects. We know how large objects will act, but things on a small scale just do not act that way)

Но действительно ли мы знаем как ведут себя "большие" объекты, в частности, коты, когда мы на них не смотрим?


Эксперимент Шрёдингера с котом.

Эрвин Шрёдингер завершил свою статью «Текущая ситуация в квантовой механике» следующим:


Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.
Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределенность, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путем прямого наблюдения.Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечетким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Несмотря на замечание Шредингера что "само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого" стальная камера с котом оказалась ящиком Пандоры для физики.


Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём…

Стивен Хокинг

Все существующие интерпретации квантовой механики можно рассматривать как варианты объяснения того что же происходит с этим в котом в закрытом ящике.

Этот эксперимент рассматривается как парадокс демонстрирующий "неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим"

Так соотвествующая статья Википедии утверждает:


Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся

Но, давайте приглядимся к коту поближе. Ясно что если мы откроем ящик кот окажется или жив или мертв, и он был таковым и до открытия ящика.

Так же как измеренный электрон в двухщелевом эксперименте до своего измерения проходил только через одну щель.

Но вот что происходит с прошлым, о котором мы еще ничего не знаем. Какое прошлое скрывает неоткрытый ящик? Что будет с котом если мы никогда не откроем ящик и не узнаем жив кот или мертв?

Мне кажется, нельзя что говорить о том, что данный эксперимент демонстрирует неполноту квантовой физики лишь потому что люди привыкли считать что "кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым".

Ведь это то же самое что говорить о неполноте космологии (утверждающей что Земля круглая и меньше Солнца), тогда как нам очевидно что Земля плоская и Солнце меньше Земли.

Насколько я знаю никто не проводил реального эксперимента с котом и счётчиком Гейгера. Но в этом, собственно, и нет необходимости. Даже в мысленной форме эксперимент доказывает, что макрообъекты (коты и прочее) обязаны вести себя точно также как и "квантовые объекты"

Из этого эсперимента мы должны сделать следующий вывод: пока мы не узнаем жив кот или нет, он действительно не жив и не мертв. Более того его прошлое появится только после того как мы зафиксируем его настоящее.

Собственно, это касается даже не только самих объектов, но их свойств: любых свойств которые могут быть измерены или наблюдаемы.

Пока мы не измерили температуру кота, неважно живого или мертвого, его температура является смешением всех возможных показателей его температуры, и она "выберет" конкретное свое значение только в момент ее измерения, причем этот выбор будет сделан в отношении прошлого, настолько, насколько это прошлое определяет измеренное настоящее.

Физики привыкли исходить из того что предметом изучения физики является объективно существующий мир, а не сознание изучающее окружающий мир, и с этой точки зрения такой вывод может показаться странным. Но, если вдуматься, если мы этот вывод не сделаем, то наши представления о мире получаются еще более странными, и даже, не побоюсь этого слова, парадоксальными: маленькие частицы (фотоны, электроны) живут по одним законам физики, а большие (коты) — по другим. При этом большие состоят из маленьких, более того, как показал Шредингер, довольно легко можно себе представить ситуации в которых большие и маленькие неразрывно связаны и просто обязаны вести себя одинаково.

Однако мы можем предположить, что при при переходе от субатомных систем к макроскопическим на самом деле меняются не законы физики, а готовность исследователя принять выводы следующие из наблюдений.

Действительно, некоторые исследователи задавались вопросом, где та граница разделяющая макромир в котором действуют законы классической физизики и микромир в котром действуют законы квантовой механики.

Мы считаем, что на самом деле эта граница означает лишь готовность принять контр-интуитивные выводы квантовой физики, и пролегает она лишь в сознании исследователя.


Существует ли Луна, когда мы на нее не смотрим?

Но если ненаблюдаемый кот, так же как и ненаблюдаемое ядро атома находится в состоянии квантовой суперпозиции, то что с более крупными объектами: планетами, звездами?


"Вы действительно думаете что Луна существует только когда мы на нее смотрим?"

(Вопрос Эйнштейна Абрахаму Пайсу (A. Pais Einstein and the quantum theory, Rev. Mod. Phys. 51, 863–914 (1979), p. 907), см. What did Einstein mean when he asked Abraham Pais whether he really believed that the moon only exists when you look at it?)

На самом деле между электроном и луной нет принципиальной разницы. Просто наличие луны является свойством неба, которое мы привыкли наблюдать непосредственно, а электрон свойством атома — объекта из "мира" в котором у нас нет сформировавшихся стереотипов.

Макрообъекты так же как и квантовые объекты над которыми пока не произведено наблюдение, а также и их прошлое, представляют собой лишь диапазон возможностей определяемый представлениями наблюдателя об этом диапазоне возможностей.


Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс) и квантовая телепортация

Опыт с котом был развитием идеи мысленного эксперимента известного как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс).

Этот мысленный эксперимент был описан в статье Эйнштейна, Подольского и Розена "Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?" (A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? // Phys. Rev. / G. D. Sprouse — American Physical Society, 1935. — Vol. 47, Iss. 10. — P. 777–780.).

Эта же статья была приведена в приложении к статье Фок, Эйнштейн, Подольский, Розен, Бор Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?, которая повторяла ее название.

Вкратце эксперимент предложенный Эйнштейном, Подольским и Розеном можно описать следующим образом:

Предположим мы измеряем импульс некоей частицы. После этого она распадается на две части, которые разлетаются в разные стороны. По закону сохранения импульса суммарный импульс частиц, получившися при распаде, равен исходному импульсу изначальной частицы.

Как и атомное ядро в эксперименте с котом, до момента измерения каждая из новых частиц, с точки зрения квантовой механики, находится в состоянии квантовой суперпозиции.

Теперь произведем наблюдение и измерим импульс первой частицы. В момент наблюдения происходит коллапс волновой функции, мы имеем измеренный импульс одной из частиц. Но поскольку импульс второй частицы будет равен импульсу распавшейся частицы минус импульс измеренной, то мы знаем импульс второй частицы, даже если эта частица находится на значительном расстоянии (сколь угодно далеко) от первой.

Как указано в Википедии:


измерение импульса одной частицы равносильно измерению импульса второй частицы. Однако это создаёт впечатление мгновенного воздействия первой частицы на вторую в противоречии с принципом причинности.

Строго говоря, описанем парадокса, авторы хотели продемонстрировать возможность одновременно измерить импульс второй частицы и ее координаты, в то время как согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, нет возможности одновременно точно измерить координату частицы и её импульс.

На основе мысленного эксперимента предложенного Эйнштейном, Подольским, Розеном был разработан эксперимент квантовой телепортации в котором в "квантовой части" используется описанный Эйнштейном, Подольским, Розеном механизм как бы "передачи информации о состоянии первой частицы второй частице"

Вкратце идею квантовой телепортации можно описать следующим образом:

Допустим у отправителя есть некая частица в А. У нее есть два возможных состояния, которые обозначим 1 и 0.

С состояние частицы А отправитель должен передать получателю. Для этого они создают пару квантово-запутанных частиц B и С, как в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, каждая частица из этой пары имеет возможное состояние 1 или 0, и известно что в сумма состояний этих частиц (1+0) равна 1. Предположим что C находится у отправителя, а B — у получателя.

Отправитель производит измерение своей частицы C, в этот момент происходит коллапс волновой функции, как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, и частица B как бы получив информацию об измеренном состоянии частицы C принимает определенное состояние. Скажем отправитель измерив частицу С получил значение 1, следовательно частица B. должна оказаться в состоянии 0.

Теперь по "обычному классическому каналу связи" отправитель передает получателю информацию о суммарном состоянии системы частиц A и С. Допустим частица A находится в состоянии 1. Отправитель измерив частицу C получил значение 1. Отправитель производит операцию XOR над двумя этими значениями — получает 0, и отправляет это значение получателю.

Получатель получил значение 0, но он еще не знает значение A. Для того чтобы получить значение A он производит наблюдение над своей частицей B, получает ее значение 0, из чего заключает что значение C было 1. И соотвественно он может вычислить значение частицы A.

Как сообщается было проведено несколько реальных (не мысленных) экспериментов по квантовой телепортации.

В частности, в 2017 г. китайские ученые осуществили квантовую телепортацию при помощи пары спутников и трех наземных станций.

Однако давайте представим себе устройство представляющее собой составной закрытый ящик в который опускаются два шара: черный и белый, и ящик разделится на два раздельных ящика, таким образом что один шар остается в одном ящике, а другой в другом, причем происходит это случайным образом, и никаким образом нельзя узнать какой шар в каком ящике не открыв ящик.

Мы можем проделать с шарами точно такую же операцию как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена.

Мы поместим два шара, один черный и один белый, в ящик, разделим ящик на два отдельных ящика, и в закрытом виде разнесем ящики на некое довольно большое расстояние, скажем оставим один из ящиков на земле, а второй отправим на Марс.

Шары в неоткрытых ящиках находятся в состоянии "суперпозиции", т.е. каждый из них является черным и белым с одинаковой вероятностью, так же как многострадальный кот с одинаковой вероятностью является живым и мертвым.

Можно было бы сказать "одновременно является", но строго говоря, шар или кот в неоткрытом ящике вне времени, их прошлое и настоящее еще не сформировано.

Когда наблюдатель на Земле открывает ящик и видит в нем белый шар, то точно так же как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, другой шар как бы получив информацию об измерении первого, забирает то состояние которое ему осталось. Т.е. и наблюдатель на Земле и наблюдатель на Марсе воспринимают этот шар как черный, причем в их восприятии он был черным с момента разделения ящика, или другими словами, его прошлое определено так же как и его настоящее.

Вместо шаров мы могли бы использовать также пару файлов, сформированные с помощью генератора случайных чисел, таким образом чтобы в одном было записано значение 1, в другом 0. Каждый из файлов можно защитить паролем, чтобы его содержание не было прочитано раньше времени, и передать их двум разным пользователям. Содержание файлов пока они не прочитаны также восприниматься как вероятностное, с одинаковой вероятностью может быть 1 или 0. В тот момент когда один из пользователей считывает содержимое своего файла, он также понимает какое содержание у второго файла. А второй пользователь, соответственно, прочтя свой файл может узнать содержимое первого файла.

Собственно говоря физикам уже приходила в голову идея о том что просходящее с частицами в эсперименте Эйштейна-Подольского-Розена можно смоделировать используя черный и белый шар (см. Эмиль Ахмедов Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена // ПостНаука) или правый и левый ботинок (см. Квантовая телепортация // ПостНаука, 2016-09-30, Habr), но пока, насколько мне известно, не признается что шары и частицы подчиняются одним и тем же законам, и с шарами происходит ровно то же самое что с частицами.

Вот как описывают это в статье Квантовая телепортация // ПостНаука, 2016-09-30, Habr:


Или если взять коробку обуви, где есть правый и левый ботинок, незаметно их вытащить и в мешке отнести один ботинок вам, другой мне. Вот я открыл мешок, смотрю: у меня правый. Значит, у вас точно левый.

Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло ко мне до измерения, не синее и не зеленое — оно в суперпозиции синего и зеленого. После того как вы разделили ботинки, результат уже предопределен. Пока мешки несут, пока их еще не открыли, но уже точно понятно, что там будет. А пока квантовые объекты не измерены, еще ничего не решилось.

На самом же деле в этом отношении нет разницы между фотоном, шаром и котом. Как доказывает эксперимент Шредингера с котом (несмотря на то, что сам Шредингер не допускал такого вывода считая его "бурлеском") макрообъекты также могут быть в состоянии "квантовой суперпозиции". Как мы наглядно видели в двухщелевом эксперименте, наблюдение за объектом находящимся в состоянии суперпозиции не только придает ему определенное состояние в настоящем, но также и в прошлом. И в этом случае нет разницы механизме конструирования прошлого для шара и для частицы.

Нет никакой границы в размере, массе или объеме начиная с которой объекты теряют свойство быть в состоянии квантовой суперпозиции. Любой параметр любого объекта о котором известно что он может быть с некоторой вероятностью в одном из состояний из некоего ограниченного диапазона, до момента измерения находится в состоянии суперпозиции.

В этом отношении разница между котом и ядром атома только в том, что такой вывод в отношении ядра атома принять проще, чем в отношении кота. Это также как нам легче принять то что Луна круглая наблюдая Луну в телескоп, чем принять тот же вывод в отношении Земли по который мы ходим и которая для нас очевидно плоская. Но наблюдение Луны издалека может все таки подтолкнуть нас к определенным выводам в отношении того что у нас под ногами.

Если мы принимаем такую позицию, то парадокс кота Шредингера и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена перестают быть парадоксами. Фотоны, ядро атома, кот в ящике и Луна на небе ведут себя одинаково, как они и должны себя вести, без всяких парадоксов.


Наблюдатель и критика многомировой интерпретации

Так кто же все таки делает выбор при коллапсе волновой функции, кто решает пройдет ли электрон через правую или левую щель, кто решает жить коту или умереть?

Многомировая интерпретация квантовой механики утверждает, что реализуются все возможные варианты, но в разных мирах.

Таким образом устраняется элемент случайности в происходящем. Если нельзя сказать почему из всех возможных вариантов выбирается какой-то конкретный, то давайте считать что реализуются все варианты. Таким образом мы также уходим от вопроса: почему, по какой причине был выбран один вариант, а не другой.

Многомировая интерпретация в этом поддерживает Эйштейна, который настаивая на том что в мире нет случайностей и все детерминировано, заявил "Бог не играет в кости".

На что, Нильс Бор, один из авторов Копенгагенской интерпретации квантовой механики, возразил довольно просто: "Эйнштейн, не указывай Богу, что ему делать"

Копенгагенская интерпретация утверждает что выбор происходит случайным образом из всего возможного набора вариантов в рамках одного наблюдаемого нами мира.

Мне кажется проблема здесь заключается в определении возможного набора вариантов. Если присмотреться к тому что происходит при выборе варианта поведения частицей, то можно заметить что диапазон выбора задается представлениями наблюдателя о возможностях выбора. Всякий акт изменения представляет собой применений представлений измеряющего о возможных параметрах к объекту измерения.

Иными словами, если возможны два варианта состояния кота: "жив или мертв", то согласно многомировой интерпретации мир должен разделиться на два мира: один в котором кот жив, другой в котором кот мертв.

В многомировой интерпретации мир постоянно делится на разные миры в которых реализуются все возможные варианты событий. Причем, если присмотреться, каждый из наблюдателей оказавшийся в том или ином мире продолжает задаваться вопросом случайно ли он попал именно в этот мир, а не в другой (по крайней мере наблюдения в нашем мире подтверждают наличе этого феномена), и таким образом разделение миров не решает всех философских вопросов, которые оно должно решать.

Но, состояние кота можно описать более чем двумя возможными вариантами. Например "кот жив и чувствует себя прекрасно", "кот жив и чувствует себя плохо", "сердце кота остановилось, но мозговая активность наблюдается", "мозговая активность кота не наблюдается", и в таком случае мир, согласно многомировой интерпретации должен раздлелиться не надвое, а уже на четыре. Если же мы введем оценку состояния кота по шкале от 0 до 100, то есть 100 возможностей развития событий, и, следуя многомировой интерпретации, мир уже вынужден делиться так чтобы дать возможность реализоваться всем этим возможностям.

Таким образом, если следовать многомировой интерпретации, то просто изменяя представление наблюдателя о количестве возможных вариантов развития событий, можно менять количество миров на которые разделяется данный, причем сам наблюдатель будет продолжать свое существование во всех этих мирах, но утрачивая связь со своими клонами в мирах параллельных. Но здесь мы возвращаемся к тому же вопросу который Эйнштейн задавал в отношении Луны: можем ли мы сказать что миры которые нельзя наблюдать действительно существуют?

Чтобы ответить на вопрос Эйнштейна о Луне, нам нужно определиться с тем что значит "существует". Можно сказать что неоткрытая луна представляет собой лишь набор возможных значений параметров которые наблюдатель может узнать при ее наблюдении.

Т.е. она существует лишь настолько насколько "существует" распад ядра атома до того как произведено наблюдение.

Причем "до" в данном случае не очень хорошее определение, потому что "после" того как произведено наблюдение, атом будет распавшимся (или не распавшимся) до наблюдения. Также как в открытом наблюдателем ящике с котом кот будет живым или мертвым до открытия ящика, но в неотрытом ящике кот не жив и не мертв.

Проблему с понятием "существует" демонстрирует "парадокс мира кенгуру" (см. Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена на пальцах и… при чём тут эфир // 2019-12-18 Habr):


… когда мы закрываем глаза и выключаем приборы, всё вокруг превращается в кенгуру. Но стоит нам включить приборы или открыть глаза всё превращается в то, что мы видим.
Парадоксальность состоит в том, что эти миры принципиально нельзя ни доказать, ни опровергнуть и как правило отбрасываются бритвой Оккама.

(бритвой Оккама называют принцип "не умножай сущности без необходимости"):


Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений…

Исаак Ньютон Математические начала натуральной философии

На самом деле, если вдуматься, такой же парадокс возможен с любым другим сумчатым животным, или вообще… с реальностью в целом: мы не можем ни доказать, ни опровергнуть существование реальности которую мы не воспринимаем, и должны ее отрезать бритвой Оккама

Или, проще говоря, не имеет смысла говорить о "существовании" чего-то о чем "мы" не знаем. И в пространстве и во времени существует только то, что воспринимается сознанием.

Иными словами сознание является причиной существования чего бы то ни было.

Более того, мы можем определить сознание как свойство субъекта наделять существованием себя и окружающий мир

Действительно, давайте представим себе что в двухщелевом эксперименте в качестве "наблюдателя" используется манекен очень похожий не человека, либо любая другая имитация человека, например человекообразный робот способный с легкостью пройти тест Тьюринга. Сможем ли мы таким образом обмануть электрон или даже фотон? Можем ли мы вообще каким-то образом заставить частицу "сделать выбор" без наличия человека (вернее без наличия наблюдателя обладающего сознанием)?

Мне кажется, что физика, несмотря на исторически сложившуюся тенденцию считать объектом ее исследования объективно существующий мир, должна отказаться от концепции частиц делающих выбор и не употреблять выражение "частица делает выбор".

Конечно же выбор делает не объект, а наблюдатель.

С точки зрения наблюдателя существует только то, что воспринимается сознанием.

Многомировая интерпретация квантовой механики поэтому имеет столько же смысла, как и гипотеза о том что когда мы закрываем глаза окружающий мир превращается в кенгуру. Хотя и то, и другое — неопровержимо.


Сознание и интеллект в квантовой механике


Всякий, кого не шокирует квантовая теория, ее не понимает.

(Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it)

Niels Bohr

Представим себе следующий мысленный эксперимент:

Воспроизведем эксперимент Шредингера, но возьмем нескольких наблюдателей, каждый из которых будет проверять состояние кота, таким образом чтобы о результате проверки не было известно другим. И потом после ряда измерений сравним результаты.

Насколько согласуются результаты наблюдения за окружающим миром у разных людей? Действительно ли происходит так что если один уже увидел кота мертвым, то другой уже не может увидеть его живым?

Мне не известно о проведении подобных опытов, но мы можем предположить что результаты наблюдений разных людей согласуются между собой, даже если они не сообщали друг другу об этих результатах.

Из тех выводов, которые мы уже сделали, вытекает что для такого эксперимента необязательно брать кота, счетчик Гейгера и атомное ядро. Достаточно бросить игральную кость в непрозрачный стакан, к которому потом по одному подойдут наблюдатели, зафиксируют увиденное, и после сравнят свои наблюдения.

В эсперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, или в аналогичном же эсперименте с шарами в ящиках, один из которых находится на Земле, а другой на Марсе, если мы считаем что частицы не могут обмениваться между собой информацией, то у нас получается, что либо


  1. информация о наблюдении сделанном первым наблюдателем передается второму наблюдателю, либо
  2. наблюдатель, на самом деле, один

В первом случае, у нас возникает та же проблема с наблюдателями, которая была ранее с частицами: информация передается быстрее скорости света и вообще без какого-либо взаимодействия.

То есть если предположить что в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена информация передается не от частицы к частице, а от наблюдателя к наблюдателю, то все же передача информации имеет место быть, а следовательно она не может быть мгновенной, и передаваемая информация может подвергаться искажениям.

В нашем мысленном эксперименте с котом и множеством наблюдателей, если предположить, что первый открывший ящик каким-то образом передает информацию о том что он увидел, и единство картины мира (включая кота) видимой разными независимыми наблюдателями обеспечивается такой передачей информации, то логично было бы предположить что при такой передаче возможны искажения, т.е. если один наблюдатель увидел кота мертвым, но никому об этом не сказал, то другой может увидеть кота живым.

Во втором случае, мы можем сформулировать предположение, что, на самом деле, наблюдатель один, и никакой передачи информации от одного наблюдателя другому не происходит. Конечно, это могут быть разные биологические существа, но с точки зрения роли наблюдателя в квантовой физике — это один и тот же наблюдатель.

Мы можем, таким образом, разделить интеллект и сознание. Сознание у всех одно, любой наблюдатель — одно и то же сознание, но каждый отдельный экспериментатор наделен своим собственным интеллектом.

Если ящик с мертвым котом открыл неграмотный пастух, то Нобелевский лауреат в этом же ящике найдет того же мертвого кота. Они могут давать разную трактовку увиденному, в силу разности интеллекта, но видят они то же самое — так как это одно и то же наблюдающее сознание.

С одной стороны, это может звучать странно: человек находящийся в данный момент на Марсе и человек находящийся в данный момент на Земле, и человек живший на Земле три тысячи лет назад — проявления одного и того же наблюдателя, в силу наблюдения которого наблюдаемые объекты переходят из смешения возможных состояний в конкретные (или иными словами реальные или действительно существующие) состояния, обретая существование в настоящем и прошлом.

Но именно такое объяснение квантовой механики является наиболее непротиворечивым и избавляет нас от парадоксов. А, не разрешив имеющиеся парадоксы, нам сложнее отрывать новые.

Кроме того, такое объяснение позволяет нам понять что-то важное о нас самих. Осознание собственного бытия и бытия окружающего мира — это то что отличает нас, Наблюдателя, от наблюдаемых объектов.

Итак, любой "наблюдатель" в терминах квантовой механики, это один и тот же глобальный субъект осознающий реальность и создающий ее этим осознанием.

Получается что "объективная реальность", окружающий мир — есть ничто иное как результат отделения сознанием себя от окружающего мира. То что каббала описывает термином "цимцум", буквально "сжатие", подразумевая под этим что бесконечный Творец (Эйн-Соф (אֵין סוֹף), буквально "бесконечное"), ограничивая себя, как бы создает «свободное место» (‏מקום פנױ‏‎‎) в котором появляется мир. Или, иными словами, мир появляется в силу того что Творец "отделяет" себя от мира, и мир существует благодаря этому "отделению".

Мы можем заметить, что в то время как физики подошли к границам объективной реальности, возможно к этим же границам, но с другой стороны подошли мистики (см. Фритьоф Капра. Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточным мистицизмом )

И тут, мы на время оставим, физические лаборатории с котами в железных ящиках, счетчиками Гейгера и фотонными пушками, и переместимся на несколько тысяч лет назад в синайскую пустыню.


Тетраграмматон. Тайны древнего имени и интерпретация квантовой механики


Не нам, Господи, не нам, но имени Твоему дай славу

(לא לנו יהוה לא לנו כי לשמך תן כבוד)

Девиз Ордена Тамплиеров (Храмовников)

Как точно произнести само «основное» Четырехбуквенное Имя мы, скорее всего, узнаем, когда придет пророк Элиягу, в конце шестого тысячелетия (то есть, уже скоро — во время, которое определит Всевышний).

рав Элиягу Эссас Об огласовке Четырехбуквенного Имени, 21.09.08

Теперь мы попробуем применить нашу интерпретацию квантовой механики для раскрытия смысла некоторых древних легенд и тайн, так или иначе владеющих умами людей на протяжении тысячелетий.

Тетраграмматон. Священное непроизносимое имя, "утерянное слово" европейских мистиков.

Итак, гора Хорив, предположительно второе тысячелетие до нашей эры. Человек по имени Моше (известный как Моисей в христианстве, или Муса в Исламе) видит горящий куст из которого к нему обращается Всевышний. Именно в этом разговоре Всевышний сообщает Моше свое имя.

Разберем этот отрывок в Танахе (Библии).

В Синодальном переводе текст на русском следующий (Исход. 3.13-15):


13 И сказал Моисей Богу: вот, я приду к сынам Израилевым и скажу им: Бог отцов ваших послал меня к вам. А они скажут мне: как Ему имя? Что сказать мне им?
14 Бог сказал Моисею: Я есмь Сущий. И сказал: так скажи сынам Израилевым: Сущий [Иегова] послал меня к вам.
15 И сказал еще Бог Моисею: так скажи сынам Израилевым: Господь, Бог отцов ваших, Бог Авраама, Бог Исаака и Бог Иакова послал меня к вам. Вот имя Мое на веки, и памятование о Мне из рода в род

Текст на иврите c английским переводом (Jewish Publication Society of America Version (JPS) 1917 Edition) можно прочесть на Exodus Chapter 3 שְׁמוֹת.

Мы разберем по частям текст (звучание всей главы на иврите) данного отрывка в оригинале, в привязке к той интерпретации квантовой механики, которую мы рассматривали выше (версия перевода на русский — автора данной статьи):

[1]
וַיֹּאמֶר מֹשֶׁה אֶל-הָאֱלֹהִים.

И говорит Моше к Всевышним

Мы перевели ивритское слово אלוהים (элоhим) как "Всевышние". В его основе корень אל имеющий значение "божественное", "бог".

Интересно то что грамматически элоhим — это форма множественного числа, т.е. "всевышние" или "боги", но с ним употребляется глагол единственного числа. Так, Тора (Библия) начинается фразой בְּרֵאשִׁית בָּרָא אֱלֹהִים буквально "в начале Всевышние (мн. ч.) сотворил (ед.ч.)"

Классический комментарий Сончино так объясняет употребление в этом случае подлежащего во множественном числе со сказуемым в единственном числе:


Элоhим как слово языка имеет значение "множество высших сил". Однако, когда речь идет о Всевышнем, Тора не допускает никакой ассоциации с аспектом множественности. Слово Элоhим, используемое как имя, имеет несколько иное значение: "Источник возникновения и поддержания существования всех сил". Оно указывает на то, что все существующие силы, где бы они ни проявлялись, всегда находятся во власти Всевышнего.

Однако, в аспекте нашей интерпретации квантовой механики в которой множество, на первый взгляд кажущихся независимыми, наблюдателей на самом деле являются одним и тем же наблюдателем создающим своим наблюдением окружающий мир, мы могли бы объяснить такую грамматику в Торе отражением этого аспекта того, что мы обозначили как "наблюдатель" с точки зрения квантовой механики.

[2]


הִנֵּה אָנֹכִי בָא אֶל-בְּנֵי יִשְׂרָאֵל, וְאָמַרְתִּי לָהֶם, אֱלֹהֵי אֲבוֹתֵיכֶם שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם; וְאָמְרוּ-לִי מַה-שְּׁמוֹ, מָה אֹמַר אֲלֵהֶם

"Вот я пришел к сынам Израиля, и сказал им: Бог (Всевышние) отцов ваших послал меня к вам; и сказали мне как его имя? что говорить им? (букв. "что [я] сказал им?")"

Тут следует обратить внимание что в Торе описание будущего времени (Моше спрашивает о том, что будет когда он придет к сынам Израиля) производится с помощью слов грамматически стоящих в прошедшем времени, причем такое употребление характерно именно для языка Танаха. Впрочем по-русски такое употребление также звучит логично: "вот я пришел и сказал им" — в отношении будущего времени по русски выглядит как моделирование ситуации которая будет иметь место в будущем, и не выглядит парадоксально.

[3]
וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים אֶל-מֹשֶׁה,

"И говорит Всевышний (Всевышние) к Моше:"

[4]
אֶהְיֶה אֲשֶׁר אֶהְיֶה

Звучит как "эhье ашер эhье" Перевод этой фразы всегда был сложен.

Комментария Сончино так поясняет эту фразу:


Это имя Всевышнего, которое на иврите звучит Эhье Ашер Эhье, не поддается точному переводу. Буквально его можно было бы перевести как "Я Буду Так, Как Я Буду".

В Синодальном переводе эта фраза переведена как "Я есмь Сущий"

Т.е. буквально можно перевести: "(я) буду которое буду", "буду существовать тем что буду существовать", "я буду тем что буду существовать", но наиболее удачный вариант перевода на мой взгляд: "я тот, кто является причиной бытия" (см. Тетраграмматон (Четырехбуквенное Имя Бога))

Далее אהיה ("эhье" ("я буду")) используется как имя Всевышнего:

[5]


וַיֹּאמֶר, כֹּה תֹאמַר לִבְנֵי יִשְׂרָאֵל, אֶהְיֶה, שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם.

И сказал: так скажи сынам Израиля, я буду (אהיה) пославшим к вам

Также возможный вариант перевода: "буду" послал меня к вам".

По традиции это слово אהיה произносится при чтении Торы.

И это слово используется в современном иврите в том же значении, см. например популярную песню אייל גולן — אהיה בכל מקום (Эяль Голан "Буду везде" (речь идет правда не о вездесущности Всевышнего, а о любви парня к девушке))

В Синодальном переводе:


"И сказал: так скажи сынам Израилевым: Сущий [Иегова] послал меня к вам"
[6]
וַיֹּאמֶר עוֹד אֱלֹהִים אֶל-מֹשֶׁה, כֹּה-תֹאמַר אֶל-בְּנֵי יִשְׂרָאֵל, יְהוָה אֱלֹהֵי אֲבֹתֵיכֶם אֱלֹהֵי אַבְרָהָם אֱלֹהֵי יִצְחָק וֵאלֹהֵי יַעֲקֹב, שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם; זֶה-שְּׁמִי לְעֹלָם, וְזֶה זִכְרִי לְדֹר דֹּר.

И еще сказал Всевышний к Моше: так скажи сынам Израиля: "он будет (יהוה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова пославшим меня к вам". Это имя мое навсегда (также можно прочитать "это имя мое утаи" — но это противоречит данному перед тем указанию сообщить это имя), и это память обо мне в поколениях.

В Синодальном переводе:


И сказал еще Бог Моисею: так скажи сынам Израилевым: Господь, Бог отцов ваших, Бог Авраама, Бог Исаака и Бог Иакова пославший меня к вам. Вот имя Мое на веки, и памятование о Мне из рода в род.

В этом отрывке имя Всевышнего пишеться יהוה Это тетраграмматон, священное непроизносимое имя.

Его огласовка в Торе יְהוָה заведомо не соответствует тому как это имя произносил Моше, и служит напоминанием того, что по традиции в этом месте произносится слово "адонай" ("Наш Господь"), огласовки от которого в адаптированном виде перенесены в данном случае (с учетом того что в одном случае в первой букве используется шва, в другом — хатаф-патах, см. Огласовка тетраграмматона и Барух Подольский. Имя Божие)

אהיה — будущее время единственного числа первого лица от глагола לִהיוֹת который обозначает "быть, существовать, становится", в том числе используется в качестве модального глагола в конструкциях для образования будущего ("буду делать ч.-л.") или прошедшего времени или сослагательного наклонения.

Корень глагола: ה-י-ה (hей — йуд — hей)

В обозначениях (конкорданции) Стронга этот корень: h2961 и этимологически просходит от или связан с корнем הוה (Стронг h2933), который используется в глаголе לְהַווֹת основное значение которого также "быть, существовать" (перевод в Словаре Б.Подольского: "1. составлять, создавать, образовывать 2. представлять собой")
Корень этого глагола ה — ו -ה (hей — вав — hей)

Так в древней, но до сих пор популярной, песне "Адон Олам (Господь мира)" ("Adon Olam" / "אדון עולם") есть строка о Всевышнем:


И он был, и он есть

וְהוּא הָיָה וְהוּא הֹוֶה

Транскрипция: "вэ у hая, вэ у ове" (V'hu hayah v'hu hoveh), см. в исполнении
Сарит Хадад или израильских солдат.

Для прошедшего времени использована форма глагола לִהיוֹת (он был),
для настоящего времени использована форма глагола לְהַווֹת (он есть).

То есть по смыслу, они взаимозаменяемы.

Традиционно считается что тетраграмматон образован от корня ה-י-ה (глагол לִהיוֹת) (см. Тетраграмматон (Четырехбуквенное Имя Бога)) и точное его грамматическое значение неизвестно.

Мы же считаем что тетраграмматон образован от корня ה — ו -ה (глагол לְהַווֹת), соответственно יהוה следует читать "он будет", огласовка יְהֻוֶּה (шва, шурук, сеголь; вав (ו) корневая буква, а не огласовка).

Т.е. тетраграмматон — это будущее время 3 лица единственного числа от глагола "быть" (לְהַווֹת) — "он будет" (см. формы этого глагола на https://www.pealim.com/dict/452-lehavot/) Насколько я знаю, это единственный вариант прочтения неогласованного тетраграмматона таким образом чтобы получилось грамматически правильное слово иврита. К тому же в таком случае оно действительно получается взаимозаменяемым с первым вариантом имени Всевышнего (אהיה), которое тоже изначально представляет собой глагольную форму.

Таким образом мы имеем в первом случае:


И сказал: так скажи сынам Израиля, я буду (אהיה) пославшим к вам.

и далее:


И еще сказал Всевышний к Моше: так скажи сынам Израиля, он будет (יְהֻוֶּה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова — пославшим меня к вам.

Если мы принимаем положение о том, что в этом отрывке ответ на вопрос "как имя имя Его" (מַה שְּׁמוֹ) содержится трижды:

(1) אהיה אשר אהיה

(2) אהיה

(3) יהוה

и что в первых двух упоминаниях мы имеем грамматически понятную форму глагола "быть/существовать" — "буду", то эту схему встраивается и предположение о том, что в третьем следует читать "будет", что в свою очередь дает логически и грамматически выстраивающуюся фразу: он будет (יְהֻוֶּה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова — пославшим меня к вам (или возможный вариант: “[и] он послал меня к вам”).

Но, конечно же, нам мало грамматически правильной фразы, ибо мы предполагаем что в ней должен быть заключен смысл помогающий нам понять что-то важное о Всевышнем и о нас самих: о том кто мы, и кто Всевышний, и какова взаимосвязь между Творцом, миром и человеком.

Итак давайте посмотрим с точки зрения тех выводов, которые мы сделали в части касающейся квантовой механики, на традицию сакрализировавшую слова, обозначающие существование, как обозначающие Всевышнего.

Вывод о единственности "наблюдателя" при том что нам кажется что наблюдателей много, и о том что этот наблюдатель и есть то что позволяет миру "быть", нам кажется созвучен идее о том что Бог един, и он то, что обуславливает существование мира (אֶהְיֶה אֲשֶׁר אֶהְיֶה)

Действительно, сознание божественно, в том смысле что находится как бы за рамками объективного мира. Мы не можем создать сознание, в том смысле, что мы не можем создать нового "наблюдателя" в терминах квантовой механики, мы можем только быть им, и, соответственно, мы не можем не быть его проявлением если мы осознаем свое существование.

С этой точки зрения, мы можем объяснить каким образом шесть тысяч лет назад "создан" материальный мир существующий уже миллионы и миллиарды лет.

Прошлое "создается" актом наблюдения, осознанием существования в настоящем. Фотон, который мы измерили, в прошлом прошел через конкретную щель в двухщелевом опыте; кот в ящике, который мы открыли, — был уже живым или мертвым и в прошлом. Мир существование которого осознано шесть тысяч лет назад, в момент осознания получает историю в миллиарды лет (в Каббале говорят "мир создан старым")

Мир, существование которого осознал наблюдатель — "существовал" в прошлом уже миллионы лет. Но без сознания (наблюдателя) этот мир не может существовать и не существовал в прошлом. В прошлом у него только "квантовая суперпозиция", но даже эта квантовая суперпозиция в прошлом это лишь "рассуждение" наблюдателя том что может быть в неоткрытом ящике, а не действительное бытие внутри ящика.

Мы можем создать компьютер способный производить огромное количество вычислений, но мы не можем создать компьютер знающий о том что он существует.

С этой точки зрения становится понятной идея о том что человек создан "по образу и подобию" (בְּצַלְמֵנוּ כִּדְמוּתֵנוּ) Всевышнего. Это конечно не означает что у Всевышнего две руки, две ноги, одна голова и два уха. Это означает что "человек" в данном контексте означает носитель сознания, т.е. человек в данном случае имеется в виду не биологическое существо, которое в прошлом произошло от обезьяны в ходе эволюции, а субъект обладающий сознанием, и под созданием человека в данном случае понимается не процесс эволюции биологического организма, а проявление в человеке "наблюдателя" в терминах квантовой физики.

Существование обуславливается тем, кого в квантовой механике называют "наблюдателем", а в Танахе обозначают тетраграмматоном. Монотеистические религии построены на идее его единственности, несмотря на множественность его проявлений, на той же идее мы строим интерпретацию квантовой механики.


Выводы.


… отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался

Шерлок Холмс (А.Конан-Дойл "Знак четырех")

Непротиворечивая интерпретация квантовой механики может быть построена на основе следующего:


  1. Существует лишь то, что обладает сознанием, либо то, что воспринимается сознанием наблюдателя.
  2. Сознание есть свойство субъекта наделять существованием себя и окружающий мир.
  3. Коллапс волновой функции, т.е. выбор объектом действительного состояния из диапазона возможностей происходит вследствие выбора совершаемого субъектом, а не объектом наблюдения. При этом диапазон возможностей задается наблюдателем.
  4. Любой отдельный объект не обладает отдельным существованием, а является набором свойств выделяемых наблюдателем из наблюдаемого мира.
  5. С точки зрения квантовой механики существует лишь один "наблюдатель". Все обладающие сознанием существа или субъекты являются его проявлением.
  6. Все обладающие сознанием субъекты таким образом связаны. Всякий обладающий сознанием субъект может взаимодействовать сам с собой. Любое взаимодействие любых субъектов обладающих сознанием является взаимодействием некоей сущности самой с собой.
  7. Эта сущность является Творцом мира. Интуитивное осознание этого лежит в основе монотеистической религии.

Квантовая физика для начинающих: квантовая механика для чайников

На чтение 9 мин. Просмотров 1.5k. Опубликовано

Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.

Хотите понять квантовую физику? Не пытайтесь ассоциировать эту науку с классической физикой. Тогда вы сможете взглянуть на мир иначе.

Квантовая гипотеза Планка

Днём рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 года, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым им излучением. Он гласил: энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами. Формула энергии кванта:

e = nh,

где e — энергия излучения, n — частота излучения, h — постоянная Планка.

Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.

Эйнштейн и фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка.2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

  • Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
  • Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
  • Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.

Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.

Не начинайте изучение квантовой физики со сложных математических формул. Улавливайте суть законов и экспериментов.

Формирование квантовой механики

Матричная механика Гейзенберга

В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.

Квантовая механика — раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.

Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название — матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.

Квантовый скачок — переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.

Подход Гейзенберга включал два компонента:

  • Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
  • Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;

Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.

Волновая механика Шрёдингера

Совершенно другой подход предложил Эрвин Шрёдингер, назвав теорию волновой механикой. Он предположил, что любая материя существует в виде волн.

Волновое уравнение, сформулированное Шрёдингером, относится к ненаблюдаемой величине. Квадрат модуля этой величины показывает распределение вероятности обнаружить частицу в различных точках пространства, то есть отдельная частица представляется как волна, распределённая по всему пространству. Из его метода описание материи стало статистическим, то есть вероятностным.

Позже Поль Дирак доказал, что теории двух учёных были разными представлениями одного и того же и равноценными. Эти два подхода сформировали квантовую механику.

Однако Гейзенберг и Шрёдингер известны другими открытиями.

Помните: в квантовой физике и её разделах всё неопределённо и вероятностно.

Основные законы квантовой механики

Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:

где Δx— неопределённость координаты пространства, Δv — неопределённость скорости частицы, h — Постоянная Планка, m — масса частицы.

Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.

Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.

Читайте также: Бесконечность Вселенной: бесконечен ли космос

Статья дает научный ответ на вопрос, безгранична ли Вселенная и как это доказать.

Интерпретации квантовой механики

У квантовой механики существуют две интерпретации:

  1. Копенгагенская (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг). Она гласит, что квантовые сущности описываются волновой функцией, но при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует к конкретным значениям величин.
  2. Многомировая (Хью Эверетт). Она гласит, что каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход.

Различность этих подходов демонстрирует квантовое бессмертие, которое можно считать пересказом эксперимента Шрёдингера от лица кота. Вместо кота — участник, вместо колбы с ядом  — ружьё, которое стреляет, если радиоактивный распад произойдёт (вероятность по-прежнему 50/50).

  • Согласно копенгагенской интерпретации, рано или поздно ружьё выстрелит и убьёт участника.
  • Согласно многомировой интерпретации, после каждого выстрела вселенная расщепляется на две: в одной участник жив, в другой — мёртв. В мире, где участник умер, он перестанет существовать, а где выжил — эксперимент продолжится. Участник сможет наблюдать итог эксперимента только во вселенной, где он остался в живых, и заметит, что никогда не умрёт.
50-кубитный квантовый компьютер

Квантовая физика — FAQ

Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Что такое квант простыми словами?

Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.

Что такое квантовые компьютеры и существуют ли они в реальности?

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.

Когда появится квантовое шифрование (квантовая криптография)?

Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.

Как проявляется квантовая запутанность?

Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.

Что такое сверхпроводимость?

Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.

Свет — частица или волна?

Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.

Что такое квантовый двигатель?

Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.

Что такое эффект наблюдателя?

Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

Как возникает квантовое поле?

В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.

Из чего сделан квантовый камуфляж?

Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.

Книги о квантовой физике

Если вы хотите и дальше познавать квантовый мир, рекомендуем следующие книги:

  • «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
  • «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
  • «Сейчас. Физика времени» — Ричард Мюллер
  • «Квант» — Джим Аль-Халили
  • Серия книг «Физика для всех» Льва Ландау и Александра Китайгородского
  • «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
  • «В поисках кота Шрёдингера» — Гриббин Дж.
Книги, рекомендуемые к прочтению для понимания квантовой физики

Фильмы о квантовой физике

Если вас больше интересуют фильмы:


Подписывайтесь на наш канал в Telegram, чтобы получать свежие статьи своевременно!

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА. ИНОЙ ВЗГЛЯД | Наука и жизнь

Квантово-механическое описание физических явлений микромира считается единственно верным и наиболее полно отвечающим реальности. Объекты макромира подчиняются законам другой, классической механики. Граница между макро- и микромиром размыта, а это вызывает целый ряд парадоксов и противоречий. Попытки их ликвидировать приводят к появлению других взглядов на квантовую механику и физику микромира. Видимо, наилучшим образом выразить их удалось американскому теоретику Дэвиду Джозефу Бому (1917-1992).

1. Мысленный эксперимент по измерению компонент спина (собственного количества движения) электрона с помощью некоего устройства - "черного ящика".

2. Последовательное измерение двух компонент спина. Измеряется "горизонтальный" спин электрона (слева), потом "вертикальный" спин (справа), потом снова "горизонтальный" (внизу).

3А. Электроны с "правым" спином после прохождения через "вертикальный" ящик движутся в двух направлениях: вверх и вниз.

3Б. В том же эксперименте на пути одного из двух пучков поставим некую поглощающую поверхность. Далее в измерениях участвует лишь половина электронов, и на выходе половина их имеет "левый" спин, а половина - "правый".

4. Состояние любого объекта микромира описывает так называемая волновая функция.

5. Мысленный эксперимент Эрвина Шредингера.

6. Эксперимент, предложенный Д. Бомом и Я. Аароновым в 1959 году, должен был показать, что магнитное поле, недоступное для частицы, влияет на ее состояние.

Чтобы понять, какие трудности испытывает современная квантовая механика, нужно вспомнить, чем она отличается от классической, ньютоновской механики. Ньютон создал общую картину мира, в которой механика выступала как универсальный закон движения материальных точек или частиц - маленьких комочков материи. Из этих частиц можно было построить любые объекты. Казалось, что механика Ньютона способна теоретически объяснить все природные явления. Однако в конце прошлого века выяснилось, что классическая механика неспособна объяснить законы теплового излучения нагретых тел. Этот, казалось бы, частный вопрос привел к необходимости пересмотреть физические теории и потребовал новых идей.

В 1900 году появилась работа немецкого физика Макса Планка, в которой эти новые идеи и появились. Планк предположил, что излучение происходит порциями, квантами. Такое представление противоречило классическим воззрениям, но прекрасно объясняло результаты экспериментов (в 1918 году эта работа была удостоена Нобелевской премии по физике). Спустя пять лет Альберт Эйнштейн показал, что не только излучение, но и поглощение энергии должно происходить дискретно, порциями, и сумел объяснить особенности фотоэффекта (Нобелевская премия 1921 года). Световой квант - фотон, по Эйнштейну, имея волновые свойства, одновременно во многом напоминает частицу (корпускулу). В отличие от волны, например, он либо поглощается целиком, либо не поглощается вовсе. Так возник принцип корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул достаточно "безумную" идею, предположив, что все без исключения частицы - электроны, протоны и целые атомы обладают волновыми свойствами. Год спустя Эйнштейн отозвался об этой работе: "Хотя кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно", а в 1929 году де Бройль получил за нее Нобелевскую премию...

На первый взгляд, повседневный опыт гипотезу де Бройля отвергает: в окружающих нас предметах ничего "волнового" как будто нет. Расчеты, однако, показывают, что длина дебройлевской волны электрона, ускоренно го до энергии 100 электрон-вольт, равна 10-8 сантиметра. Эту волну нетрудно обнаружить экспериментально, пропустив поток электронов сквозь кристалл. На кристаллической решетке произойдет дифракция их волн и возникнет характерная полосатая картинка. А у пылинки массой 0,001 грамма при той же скорости длина волны де Бройля будет в 1024 раз меньше, и обнаружить ее никакими средствами нельзя.

Волны де Бройля непохожи на механические волны - распространяющиеся в пространстве колебания материи. Они характеризуют вероятность обнаружить частицу в данной точке пространства. Любая частица оказывается как бы "размазанной" в пространстве, и существует отличная от нуля вероятность обнаружить ее где угодно. Классическим примером вероятностного описания объектов микромира служит опыт по дифракции электронов на двух щелях. Прошедший через щель электрон регистрируется на фотопластинке или на экране в виде пятнышка. Каждый электрон может пройти либо через правую щель, либо через левую совершенно случайным образом. Когда пятнышек становится очень много, на экране возникает дифракционная картина. Почернение экрана оказывается пропорциональным вероятности появления электрона в данном месте.

Идеи де Бройля углубил и развил австрийский физик Эрвин Шредингер. В 1926 году он вывел систему уравнений - волновых функций, описывающих поведение квантовых объектов во времени в зависимости от их энергии (Нобелевская премия 1933 года). Из уравнений следует, что любое воздействие на частицу меняет ее состояние. А поскольку процесс измерения параметров частицы неизбежно связан с воздействием, возникает вопрос: что же регистрирует измерительный прибор, вносящий непредсказуемые возмущения в состояние измеряемого объекта?

Таким образом, исследование элементарных частиц позволило установить, по крайней мере, три чрезвычайно удивительных факта, касающихся общей физической картины мира.

Во-первых, оказалось, что процессами, происходящими в природе, управляет чистый случай. Во-вторых, далеко не всегда существует принципиальная возможность указать точное положение материального объекта в пространстве. И, в-третьих, что, пожалуй, наиболее странно, поведение таких физических объектов, как "измерительный прибор", или "наблюдатель", не описывается фундаментальными законами, справедливыми для прочих физических систем.

Впервые к таким выводам пришли сами основоположники квантовой теории - Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули. Позднее данная точка зрения, получившая название Копенгагенской интерпретации квантовой механики, была принята в теоретической физике в качестве официальной, что и нашло свое отражение во всех стандартных учебниках.

Вполне возможно, однако, что подобные заключения были сделаны слишком поспешно. В 1952 году американский физик-теоретик Дэвид Д. Бом создал глубоко проработанную квантовую теорию, отличную от общепринятой, которая так же хорошо объясняет все известные ныне особенности поведения субатомных частиц. Она представляет собой единый набор физических законов, позволяющий избежать какой-либо случайности в описании поведения физических объектов, а также неопределенности их положения в пространстве. Несмотря на это, бомовская теория до самого последнего времени почти полностью игнорировалась.

Чтобы лучше представить себе всю сложность описания квантовых явлений, проведем несколько мысленных экспериментов по измерению спина (собственного момента количества движения) электрона. Мысленных потому, что создать измерительный прибор, позволяющий точно измерять обе компоненты спина, пока что не удалось никому. Столь же безуспешными оказываются попытки предсказать, какие именно электроны поменяют свой спин в ходе описанного эксперимента, а какие нет.

Эти эксперименты включают в себя измерение двух компонент спина, которые условно будем называть "вертикальным" и "горизонтальным" спинами. Каждая из компонент в свою очередь может принимать одно из значений, которые мы также условно назовем "верхним" и "нижним", "правым" и "левым" спинами соответственно. Измерение основано на пространственном разделении частиц с разными спинами. Приборы, осуществляющие разделение, можно представить себе как некие "черные ящики" двух типов - "горизонтальный" и "вертикальный" (рис. 1). Известно, что разные компоненты спина свободной частицы совершенно независимы (физики говорят - не коррелируют между собой). Однако в ходе измерения одной компоненты значение другой может измениться, причем совершенно неконтролируемым образом (2).

Пытаясь объяснить полученные результаты, традиционная квантовая теория пришла к выводу, что необходимо полностью отказаться от детерминистского, то есть полностью определяющего состояние

объекта, описания явлений микромира. Поведение электронов подчиняется принципу неопределенности, согласно которому компоненты спина не могут быть точно измерены одновременно.

Продолжим наши мысленные эксперименты. Будем теперь не только расщеплять пучки электронов, но и заставим их отражаться от неких поверхностей, пересекаться и снова соединяться в один пучок в специальном "черном ящике" (3).

Результаты этих экспериментов противоречат обычной логике. Действительно, рассмотрим поведение какого-либо электрона в случае, когда поглощающая стенка отсутствует (3 А). Куда он будет двигаться? Допустим, что вниз. Тогда, если первоначально электрон имел "правый" спин, он так и останется правым до конца эксперимента. Однако, применив к этому электрону результаты другого эксперимента (3 Б), мы увидим, что его "горизонтальный" спин на выходе должен быть в половине случаев "правым", а в половине - "левым". Явное противоречие. Мог ли электрон пойти вверх? Нет, по той же самой причине. Быть может, он двигался не вниз, не вверх, а как-то по-другому? Но, перекрыв верхний и нижний маршруты поглощающими стенками, мы на выходе не получим вообще ничего. Остается предположить, что электрон может двигаться сразу по двум направлениям. Тогда, имея возможность фиксировать его положение в разные моменты времени, в половине случаев мы находили бы его на пути вверх, а в половине - на пути вниз. Ситуация достаточно парадоксальная: материальная частица не может ни раздваиваться, ни "прыгать" с одной траектории на другую.

Что говорит в данном случае традиционная квантовая теория? Она просто объявляет все рассмотренные ситуации невозможными, а саму постановку вопроса об определенном направлении движения электрона (и соответственно о направлении его спина) - некорректной. Проявление квантовой природы электрона в том и заключается, что ответа на данный вопрос в принципе не существует. Состояние электрона представляет собой суперпозицию, то есть сумму двух состояний, каждое из которых имеет определенное значение "вертикального" спина. Понятие о суперпозиции - один из основополагающих принципов квантовой механики, с помощью которого вот уже более семидесяти лет удается успешно объяснять и предсказывать поведение всех известных квантовых систем.

Для математического описания состояний квантовых объектов используется волновая функция, которая в случае одной частицы просто определяет ее координаты. Квадрат волновой функции равен вероятности обнаружить частицу в данной точке пространства. Таким образом, если частица находится в некой области А, ее волновая функция равна нулю всюду, за исключением этой области. Аналогично частица, локализованная в области Б, имеет волновую функцию, отличную от нуля только в Б. Если же состояние частицы оказывается суперпозицией пребывания ее в А и Б, то волновая функция, описывающая такое состояние, отлична от нуля в обеих областях пространства и равна нулю всюду вне их. Однако, если мы поставим эксперимент по определению положения такой частицы, каждое измерение будет давать нам только одно значение: в половине случаев мы обнаружим частицу в области А, а в половине - в Б ( 4). Это означает, что при взаимодействии частицы с окружением, когда фиксируется только одно из состояний частицы, ее волновая функция как бы коллапсирует, "схлопывается" в точку.

Одно из основных утверждений квантовой механики заключается в том, что физические объекты полностью описываются их волновыми функциями. Таким образом, весь смысл законов физики сводится к предсказанию изменений волновых функций во времени. Эти законы делятся на две категории в зависимости от того, предоставлена ли система самой себе или же она находится под непосредственным наблюдением и в ней производятся измерения.

В первом случае мы имеем дело с линейными дифференциальными "уравнениями движения", уравнениями детерминистскими, которые полностью описывают состояние микрочастиц. Следовательно, зная волновую функцию частицы в какой-то момент времени, можно точно предсказать поведение частицы в любой последующий момент. Однако при попытке предсказать результаты измерений каких-либо свойств той же частицы нам придется иметь дело уже с совершенно другими законами - чисто вероятностными.

Возникает естественный вопрос: как отличить условия применимости той или другой группы законов? Создатели квантовой механики указывают на необходимость четкого разделения всех физических процессов на "измерения" и "собственно физические процессы", то есть на "наблюдателей" и "наблюдаемых", или, по философской терминологии, на субъект и объект. Однако отличие между этими категориями носит не принципиальный, а чисто относительный характер. Тем самым, по мнению многих физиков и философов, квантовая теория в такой интерпретации становится неоднозначной, теряет свою объективность и фундаментальность. "Проблема измерения" стала основным камнем преткновения в квантовой механике. Ситуация несколько напоминает знаменитую апорию Зенона "Куча". Одно зерно - явно не куча, а тысяча (или, если угодно, миллион) - куча. Два зерна - тоже не куча, а 999 (или 999999) - куча. Эта цепочка рассуждений приводит к некоему количеству зерен, при котором понятия "куча - не куча" станут неопределенными. Они будут зависеть от субъективной оценки наблюдателя, то есть от способа измерений, хотя бы и на глаз.

Все окружающие нас макроскопические тела предполагаются точечными (или протяженными) объектами с фиксированными координатами, которые подчиняются законам классической механики. Но это означает, что классическое описание можно продолжить вплоть до самых малых частиц. С другой стороны, идя со стороны микромира, следует включать в волновое описание объекты все большего размера вплоть до Вселенной в целом. Граница между макро- и микромиром не определена, и попытки ее обозначить приводят к парадоксу. Наиболее четко указывает на него так называемая "задача о кошке Шредингера" - мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шредингером в 1935 году (5).

В закрытом ящике сидит кошка. Там же находятся флакон с ядом, источник излучения и счетчик заряженных частиц, подсоединенный к устройству, разбивающему флакон в момент регистрации частицы. Если яд разольется, кошка погибнет. Зарегистрировал счетчик частицу или нет, мы не можем знать в принципе: законы квантовой механики подчиняются законам вероятности. И с этой точки зрения, пока счетчик не произвел измерения, он находится в суперпозиции двух состояний - "регистрация - нерегистрация". Но тогда в этот момент и кошка оказывается в суперпозиции состояний жизни и смерти.

В действительности, конечно, реального парадокса здесь быть не может. Регистрация частицы - процесс необратимый. Он сопровождается коллапсом волновой функции, вслед за чем срабатывает механизм, разбивающий флакон. Однако ортодоксальная квантовая механика не рассматривает необратимых явлений. Парадокс, возникающий в полном согласии с ее законами, наглядно показывает, что между квантовым микромиром и классическим макромиром имеется некая промежуточная область, в которой квантовая механика не работает.

Итак, несмотря на несомненные успехи квантовой механики в объяснении экспериментальных фактов, в настоящий момент она едва ли может претендовать на полноту и универсальность описания физических явлений. Одной из наиболее смелых альтернатив квантовой механики и стала теория, предложенная Дэвидом Бомом.

Задавшись целью построить теорию, свободную от принципа неопределенности, Бом предложил считать микрочастицу материальной точкой, способной занимать точное положение в пространстве. Ее волновая функция получает статус не характеристики вероятности, а вполне реального физического объекта, некоего квантовомеханического поля, оказывающего мгновенное силовое воздействие. В свете этой интерпретации, например, "парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена" (см. "Наука и жизнь" № 5, 1998 г.) перестает быть парадоксом. Все законы, управляющие физическими процессами, становятся строго детерминистскими и имеют вид линейных дифференциальных уравнений. Одна группа уравнений описывает изменение волновых функций во времени, другая - их воздействие на соответствующие частицы. Законы применимы ко всем физическим объектам без исключения - и к "наблюдателям", и к "наблюдаемым".

Таким образом, если в какой-то момент известны положение всех частиц во Вселенной и полная волновая функция каждой, то в принципе можно точно рассчитать положение частиц и их волновые функции в любой последующий момент времени. Следовательно, ни о какой случайности в физических процессах не может быть и речи. Другое дело, что мы никогда не сможем обладать всей информацией, необходимой для точных вычислений, да и сами расчеты оказываются непреодолимо сложными. Принципиальное незнание многих параметров системы приводит к тому, что на практике мы всегда оперируем некими усредненными величинами. Именно это "незнание", по мнению Бома, заставляет нас прибегать к вероятностным законам при описании явлений в микромире (подобная ситуация возникает и в классической статистической механике, например в термодинамике, которая имеет дело с огромным количеством молекул). Теория Бома предусматривает определенные правила усреднения неизвестных параметров и вычисления вероятностей.

Вернемся к экспериментам с электронами, изображенным на рис. 3 А и Б. Теория Бома дает им следующее объяснение. Направление движения электрона на выходе из "вертикального ящика" полностью определяется исходными условиями - начальным положением электрона и его волновой функцией. В то время как электрон движется либо вверх, либо вниз, его волновая функция, как это следует из дифференциальных уравнений движения, расщепится и станет распространяться сразу в двух направлениях. Таким образом, одна часть волновой функции окажется "пустой", то есть будет распространяться отдельно от электрона. Отразившись от стенок, обе части волновой функции воссоединятся в "черном ящике", и при этом электрон получит информацию о том участке пути, где его не было. Содержание этой информации, например о препятствии на пути "пустой" волновой функции, может оказать существенное воздействие на свойства электрона. Это и снимает логическое противоречие между результатами экспериментов, изображенных на рисунке. Необходимо отметить одно любопытное свойство "пустых" волновых функций: будучи реальными, они тем не менее никак не влияют на посторонние объекты и не могут быть зарегистрированы измерительными приборами. А на "свой" электрон "пустая" волновая функция оказывает силовое воздействие независимо от расстояния, причем воздействие это передается мгновенно.

Попытки "исправить" квантовую механику или объяснить возникающие в ней противоречия предпринимали многие исследователи. Построить детерминистскую теорию микромира, например, пытался де Бройль, который был согласен с Эйнштейном, что "Бог не играет в кости". А видный отечественный теоретик Д. И. Блохинцев считал, что особенности квантовой механики проистекают из-за невозможности изолировать частицу от окружающего мира. При любой температуре выше абсолютного нуля тела излучают и поглощают электромаг нитные волны. С позиций квантовой механики это означает, что их положение непрерывно "измеряется", вызывая коллапс волновых функций. "С этой точки зрения никаких изолированных, предоставленных самим себе "свободных" частиц не существует, - писал Блохинцев. - Возможно, что в этой связи частиц и cреды и скрывается природа той невозможности изолировать частицу, которая проявляется в аппарате квантовой механики".

И все-таки - почему же интепретация квантовой механики, предложенная Бомом, до сих пор не получила должного признания в научном мире? И как объяснить почти повсеместное господство традиционной теории, несмотря на все ее парадоксы и "темные места"?

Долгое время новую теорию не хотели рассматривать всерьез на основании того, что в предсказании исхода конкретных экспериментов она полностью совпадает с квантовой механикой, не приводя к существен но новым результатам. Вернер Гейзенберг, например, считал, что "для любого опыта его (Бома) результаты совпадают с копенгагенской интерпретацией. Отсюда первое следствие: интерпретацию Бома нельзя опровергнуть экспериментом..." Некоторые считают теорию ошибочной, так как в ней преимущественная роль отводится положению частицы в пространстве. По их мнению, это противоречит физической реальности, ибо явления в квантовом мире принципиально не могут быть описаны детерминистскими законами. Существует немало и других, не менее спорных аргументов против теории Бома, которые сами требуют серьезных доказательств. Во всяком случае, ее пока что действительно никому не удалось полностью опровергнуть. Более того - работу над ее совершенствованием продолжают многие, в том числе отечественные, исследователи.

Почему квантовую физику так сложно понять? Объясняем в девяти карточках

Как правило, работа физика-теоретика и физика-экспериментатора очень сильно различается. Теоретики могут за всю жизнь не посетить ни одну лабораторию, не видеть ни один эксперимент, и при этом делать потрясающие открытия в области квантовой механики. Например, на заре квантовой механики, в начале 20 века, физики-теоретики придумали огромное количество потрясающих экспериментов, которые нельзя было поставить в то время. Но спустя десятки лет подтвердилось, что все было предсказано правильно. Физики-теоретики прекрасно представляют себе, как устроена экспериментальная установка, как именно на ней работают. Также они очень плотно взаимодействуют с данными, графиками, изображениями, полученными в лабораториях, и строят подходящие теории, чтобы объяснить результаты этих экспериментов.

Физика не ставит перед собой цели сделать что-то, что человек будет использовать каждый день. Но когда это случается, то происходит очень метко. Например, устройства, которые позволяют нам общаться из разных точек мира, строятся на сложных физических принципах. Поэтому даже та 0,1% открытий, которые доходят до всеобщего применения, настолько преображает нашу жизнь, что мы просто не можем представить, как обходились без этого раньше.

В первую очередь, фундаментальное открытие бозона Хиггса, которое было сделано на Большом адронном коллайдере. Пусть и с оговорками, но оно позволило завершить построение стандартной модели элементарных частиц, которая объясняет свойства нашего мира на самом маленьком масштабе, какой только доступен в настоящее время. Это был последний кирпичик в данной модели, который был предсказан теоретиками задолго до экспериментального открытия. Во-вторых, к главным достижениям можно отнести все разработки в области квантового компьютера, преодоление предела квантового превосходства. И наконец, еще одно значительное открытие — это разработка технологии квантовой связи. Квантовая коммуникация уже вошла в нашу жизнь, она применяется в разных сферах ― например, в банковских и правительственных учреждениях, в том числе и в России.

На уточнение стандартной модели пришлось потратить 50-70 лет: на строительство очень сложного и дорогого адронного коллайдера ушли годы. Следующий момент уточнения находится уже при столь высоких энергиях, для которых не хватит ускорителя даже размером с целую планету. Поэтому в области экспериментального подтверждения существующих сейчас теорий ученые ждут некоторый застой (сделаем оговорку, что сейчас ведутся поиски суперсимметричных партнеров и аксиона, а также частиц темной материи). С другой стороны, на теоретическом уровне есть еще огромное количество неизведанного. Например, те же теории струн и квантовой петлевой гравитации, как кандидаты на «теорию всего», из-за их математической сложности разработаны достаточно слабо. Поэтому, возможно, скоро появится совершенно новый подход, который окажется гораздо лучше. Также есть надежды на прояснение природы темной материи и темной энергии.

Конечно, появление квантового компьютера очень сильно перевернет нашу жизнь. Во-первых, ученым придется переписать многие существующие сейчас алгоритмы шифрования — а значит, все программы, приложения, сайты, способы коммуникаций. Во-вторых, у квантового компьютера, помимо невероятных способностей к дешифрованию, будут и другие полезные применения: например, описание свойств материалов, которые специалисты не могут рассчитывать на обычном компьютере, или поиск лекарств от сложных заболеваний. Возможности квантового компьютера позволят совершить огромный прорыв во всех технических направлениях, а также в области понимания тех вопросов теоретической физики, которые ученые не могут решить сейчас из-за ограничений в вычислительных ресурсах.

Почему квантовая физика сродни магии?: crithin — LiveJournal

Квантовая механика изучает наш мир на самом глубинном уровне, так как все, что нас окружает состоит из атомов. Даже мы с вами – это ни что иное как ансамбль из атомов, которые зародились в ядрах сверхновых звезд. Так почему же этот раздел физики так сильно похож на магию?

С точки зрения квантовой физики у существования нашей Вселенной может быть смысл. Неожиданно, правда?

Что вы знаете о квантовой физике? Даже гуманитарию вроде меня понятно, что физика и квантовая физика изучают немного разные вещи. При этом физика в целом – это наука о природе, которая изучает то, как устроен мир и как все объекты и тела взаимодействуют друг с другом. Будучи разделом физики, квантовая механика изучает наш мир на самом глубинном уровне. Дело в том, что все, что нас окружает состоит из атомов. Да что там, даже мы с вами – это ни что иное как ансамбль из атомов, которые зародились в ядрах сверхновых звезд. Более того, эта область физики настолько сложная, что многие ученые признают, что плохо ее понимают. Учитывая растущее количество вопросов, на которых сегодня нет ответов и некую схожесть квантовой физики с магией, она невероятно привлекательна, но может ввести в заблуждение, как это успешно делают многие шарлатаны и лжеученые. В этой статье мы попытаемся понять что такое квантовая физика и почему она так похожа на волшебство.

 Фотон – это элементарная частица, которая не имеет массы и может существовать в вакууме, передвигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.

Почему квантовая физика такая сложная?

Все мы любим фокусы. Особенно те, во время которых фокусник может заставить шары “прыгать” между перевернутыми чашками. В квантовых системах, где свойства объекта, включая его местоположение, могут варьироваться в зависимости от того, как вы за ним наблюдаете, такие подвиги должны быть возможны без ловкости рук. Дело в том, что согласно квантовой теории, элементарная частица обретает определенное состояние лишь в момент наблюдения. В это сложно поверить, но в итоге ученым удалось экспериментально доказать, используя один-единственный фотон, что он существует в трех местах одновременно. Но как такое возможно?

Один из самых знаменитых квантовых экспериментов это двухщелевой эксперимент, который показал, что свет и материя могут вести себя как частица и волна одновременно.

Необходимо отметить, что успехами квантовой механики – с помощью которой можно точно описать поведение атомов и элементарных частиц – интересовался Альберт Эйнштейн. Однако гениальный ученый выступал против этой теории и высмеивал понятие, которое лежит в ее основе – запутанность. В квантовой механике запутанность означает, что свойства одной частицы могут немедленно влиять на свойства другой, независимо от расстояния между ними.

Квантовая запутанность – это явление, при котором квантовые состояния двух или больше объектов оказываются взаимозависимыми

Впоследствии, серия тщательно разработанных экспериментов показала, что Эйнштейн ошибался: запутанность реальна и никакие другие теории не могут объяснить ее странные эффекты. И все же, несмотря на способность квантовой теории объяснять результаты экспериментальным путем, многие ученые признают, что квантовая физика настолько сложная, что познать ее едва ли удастся.

Однако запутанность – не единственное явление, которое отделяет квантовую теорию от классической. По мнению некоторых физиков, есть еще один шокирующий факт о квантовой реальности, который часто упускают из виду и который добавляет “волшебства” этой области теоретической физики. Как пишет издание The New Scientist, В 1967 году Саймон Кочен и Эрнст Спекер математически доказали, что даже для одного квантового объекта, где запутанность невозможна, значения, которые вы получаете при измерении его свойств, зависят от ситуации, в которой этот объект находится. Таким образом, ценность свойства А зависит от того, решили ли вы измерить его с помощью свойства В или с помощью свойства С. Говоря простыми словами, не существует реальности, независимой от выбора измерения.

Как работает квантовая физика

Согласитесь, все это как минимум странно и заставляет мозг буквально трещать по швам. Ведь получается, что присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. Но разве это не вмешательство сознания в материальную реальность? А если учесть, что фотон света может одновременно быть и частицей и волной и находиться сразу в трех местах, то в каком мире мы вообще живем? Является ли это доказательством существования параллельных реальностей с одинаковыми законами физики?

Квантовую физику, вероятно, можно вписать в практически любую выдуманную историю

И это лишь часть вопросов, на которые у современной физики нет ответов. Пока. Однако все неизвестное издревле пугало человека. Иногда люди готовы поверить во что угодно, лишь бы был хотя бы один – и уже не важно какой – ответ. По этой причине совершенно неудивительно, что всякого рода шарлатаны и лжеученые так любят квантовую физику. Если ради интереса включить РЕН ТВ, то можно наткнуться на одну из передач о потустороннем мире, в котором, в роли эксперта, выступает очередной лжеученый. В 99 случаях из 100, его ложное объяснение мироустройства будет включать в себя хотя бы одно упоминание квантовой физики. При этом любой лжеученый резво бравирует такими научными терминами как электрон, фотон и запутанность, чтобы в глазах неискушенного зрителя обрести более-менее достоверный вид.

Иногда мне даже кажется, что любой уважающий себя шарлатан просто обязан иметь в своем репертуаре спич о тайнах квантовой физики. Ведь ученым практически нечего возразить их утверждениям о том, что квантовая механика – загадка для ученых. Правда удобно? Результатом популяризации таких идей может стать ложное представление о мире для большого количества людей. Подобные идеи также способствуют склонности к альтернативной медицине и лечения опасных заболеваний наложением рук. Так, с экранов телевизоров эзотерики с пеной у рта доказывают, что мысль материальна потому что квантовая физика вот, а доморощенные биологи приплетают квантовую физику в свои необоснованные идеи о волновом геноме и.т.д. Все это способствует развитию магического мышления и росту мифов и заблуждений о мире, в котором мы живем.

Согласно мысленному эксперименту Эдвина Шредингера кот в коробке может быть и жив и мертв одновременно

Что такое квантовая физика простыми словами

Между тем, квантовая физика – это самая настоящая магия. Магия реальности. Да, мы много не понимаем и не знаем ответов на вопросы, которые порождает квантовая запутанность и результаты многочисленных экспериментов, в том числе и знаменитый мысленный эксперимент кота Шредингера. При этом реальность намного интереснее вымысла, ведь мы столького о ней не знаем: наша Вселенная на 95% состоит из таинственной темной материи, а еще есть темная энергия, которая отвественна за ускорение расширения Вселенной. Более того, на самом глубинном уровне наш мир состоит из мельчайших частиц, которые могут находиться в нескольких местах одновременно и ведут себя по-разному в зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет. Если это не магия реальности, то что есть реальность?.

В то же самое время наука уже дала множество ответов на важнейшие вопросы о нашем мире. Так или иначе, я думаю что нет ничего плохого в том, чтобы не знать чего-то и не понимать квантовую физику. Главное – это наша познавать Вселенную. Которая, скорее всего, тоже познает себя через нас.

Материал подготовлен специально для Hi-News.ru

Автор: Любовь Соковикова

Введение в квантовую механику - Introduction to quantum mechanics

Нетехническое введение в квантовую физику

Эта статья представляет собой нетехническое введение в предмет. Для основной статьи энциклопедии см. Квантовая механика .

Квантовая механика - это изучение очень маленьких вещей. Это объясняет поведение материи и ее взаимодействие с энергией на шкале от атомных и субатомных частиц . Напротив, классическая физика объясняет материю и энергию только в масштабе, знакомом человеческому опыту, включая поведение астрономических тел, таких как Луна. Классическая физика до сих пор используется в большей части современной науки и техники. Однако к концу XIX века ученые обнаружили явления как в большом ( макро ), так и в маленьком ( микро ) мирах, которые классическая физика не могла объяснить. Стремление разрешить несоответствия между наблюдаемыми явлениями и классической теорией привело к двум крупным революциям в физике, которые привели к сдвигу в исходной научной парадигме: теории относительности и развитию квантовой механики . В этой статье описывается, как физики открыли ограничения классической физики и разработали основные концепции квантовой теории, пришедшие на смену ей в первые десятилетия 20-го века. Он описывает эти концепции примерно в том порядке, в котором они были впервые обнаружены. Для более полной истории предмета см. История квантовой механики .

В некоторых аспектах свет ведет себя как частицы, а в других - как волны. Материя - «вещество» Вселенной, состоящее из таких частиц, как электроны и атомы, также демонстрирует волнообразное поведение . Некоторые источники света, такие как неоновые огни , излучают только определенные частоты света, небольшой набор отдельных чистых цветов, определяемых атомной структурой неона. Квантовая механика показывает, что свет, наряду со всеми другими формами электромагнитного излучения , состоит из дискретных единиц, называемых фотонами , и предсказывает его спектральную энергию (соответствующую чистым цветам) и интенсивность его световых лучей. Одиночный фотон - это квант или мельчайшая наблюдаемая частица электромагнитного поля. Частичный фотон экспериментально никогда не наблюдается. В более широком смысле квантовая механика показывает, что многие свойства объектов, такие как положение, скорость и угловой момент , которые казались непрерывными в уменьшенном масштабе классической механики, оказываются (в очень крошечной увеличенной шкале квантовая механика) квантованные . Такие свойства элементарных частиц должны принимать одно из набора небольших дискретных допустимых значений, и поскольку разрыв между этими значениями также мал, неоднородности проявляются только в очень крошечных (атомных) масштабах.

Многие аспекты квантовой механики противоречат здравому смыслу и могут показаться парадоксальными, поскольку они описывают поведение, совершенно отличное от того, что наблюдается в более крупных масштабах. По словам квантового физика Ричарда Фейнмана , квантовая механика имеет дело с «природой такой, какая она есть - абсурдной».

Например, принцип неопределенности квантовой механики означает, что чем точнее одно измерение (например, положение частицы), тем менее точным должно быть другое дополнительное измерение, относящееся к той же частице (например, ее скорости ).

Другим примером является запутанность , при которой измерение любого двузначного состояния частицы (например, свет, поляризованное вверх или вниз), произведенное на любой из двух «запутанных» частиц, которые находятся очень далеко друг от друга, вызывает последующее измерение на другой частице. всегда быть другим из двух значений (например, поляризованным в противоположном направлении).

Последним примером является сверхтекучесть , в которой контейнер с жидким гелием, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю, самопроизвольно (медленно) течет (медленно) вверх и над отверстием контейнера против силы тяжести.

Первая квантовая теория: Макс Планк и излучение черного тела

Горячие металлоконструкции. Желто-оранжевое свечение - это видимая часть теплового излучения, испускаемого из-за высокой температуры. Все остальное на картинке также светится тепловым излучением, но менее ярко и на более длинных волнах, чем может обнаружить человеческий глаз. Это излучение может наблюдать камера дальнего инфракрасного диапазона.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, исходящее от поверхности объекта за счет внутренней энергии объекта. Если объект достаточно нагревается, он начинает излучать свет в красном конце спектра , так как становится докрасна .

Его нагревание приводит к изменению цвета с красного на желтый, белый и синий, поскольку он излучает свет с более короткими длинами волн (более высокими частотами). Идеальный излучатель также является идеальным поглотителем: в холодную погоду такой объект выглядит совершенно черным, потому что он поглощает весь падающий на него свет и не излучает его. Следовательно, идеальный тепловой излучатель известен как черное тело , а излучение, которое он излучает, называется излучением черного тела .

Прогнозы количества теплового излучения различной частоты, испускаемого телом. Правильные значения, предсказанные законом Планка (зеленый), контрастируют с классическими значениями закона Рэлея-Джинса (красный) и приближения Вина (синий).

В конце 19 века тепловое излучение было довольно хорошо охарактеризовано экспериментально. Однако классическая физика привела к закону Рэлея – Джинса , который, как показано на рисунке, хорошо согласуется с экспериментальными результатами на низких частотах, но совершенно не согласуется с высокими частотами. Физики искали единую теорию, объясняющую все экспериментальные результаты.

Первая модель, способная объяснить полный спектр теплового излучения, была предложена Максом Планком в 1900 году. Он предложил математическую модель, в которой тепловое излучение находилось в равновесии с набором гармонических осцилляторов . Чтобы воспроизвести экспериментальные результаты, он должен был предположить, что каждый осциллятор излучает целое число единиц энергии на своей единственной характеристической частоте, а не может излучать любое произвольное количество энергии. Другими словами, энергия, излучаемая осциллятором, была квантована . Согласно Планку, квант энергии каждого осциллятора пропорционален частоте осциллятора; константа пропорциональности теперь известна как постоянная Планка . Постоянная Планка, обычно обозначаемая как h , имеет значение 6,63 × 10 −34  Дж с . Итак, энергия E осциллятора частоты f определяется выражением

E знак равно п час ж , где п знак равно 1 , 2 , 3 , … {\ displaystyle E = nhf, \ quad {\ text {where}} \ quad n = 1,2,3, \ ldots}

Чтобы изменить цвет такого излучающего тела, необходимо изменить его температуру. Закон Планка объясняет, почему: увеличение температуры тела позволяет ему излучать больше энергии в целом и означает, что большая часть энергии направляется к фиолетовому концу спектра.

Закон Планка был первой квантовой теорией в физике, и в 1918 году Планк получил Нобелевскую премию «в знак признания заслуг, которые он оказал развитию физики своим открытием квантов энергии». Однако в то время Планк считал квантование чисто эвристической математической конструкцией, а не (как сейчас считается) фундаментальным изменением в нашем понимании мира.

Фотоны: квантование света

В 1905 году Альберт Эйнштейн сделал дополнительный шаг. Он предположил, что квантование - это не просто математическая конструкция, но что энергия в луче света фактически возникает в отдельных пакетах, которые теперь называются фотонами . Энергия отдельного фотона света определенной частоты определяется частотой, умноженной на постоянную Планка (очень маленькое положительное число): ж {\ displaystyle f} час {\ displaystyle h}

E знак равно час ж {\ displaystyle E = hf}

На протяжении веков ученые обсуждали две возможные теории света: была ли это волна или вместо этого представляла собой поток крошечных частиц ? К 19-му веку считалось, что дебаты уладились в пользу теории волн, поскольку она могла объяснить наблюдаемые эффекты, такие как рефракция , дифракция , интерференция и поляризация . Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество, магнетизм и свет являются проявлениями одного и того же явления: электромагнитного поля . Уравнения Максвелла , представляющие собой полный набор законов классического электромагнетизма , описывают свет как волны: комбинацию колеблющихся электрических и магнитных полей. Из-за преобладания доказательств в пользу волновой теории идеи Эйнштейна поначалу были встречены с большим скептицизмом. В конце концов, однако, предпочтение стало отдавать фотонной модели. Одним из наиболее важных свидетельств в пользу этого метода была его способность объяснить несколько загадочных свойств фотоэлектрического эффекта , описанных в следующем разделе. Тем не менее аналогия с волной оставалась незаменимой для понимания других характеристик света: дифракции , преломления и интерференции .

Фотоэлектрический эффект

Свет падает на поверхность слева. Если частота света достаточно высока, т.е. если он обеспечивает достаточную энергию, отрицательно заряженные электроны выбрасываются из металла.

В 1887 году Генрих Герц заметил, что когда свет с достаточной частотой попадает на металлическую поверхность, поверхность испускает электроны. В 1902 году Филипп Ленард обнаружил, что максимально возможная энергия выброшенного электрона связана с частотой света, а не с его интенсивностью : если частота слишком низкая, электроны не выбрасываются независимо от интенсивности. Сильные лучи света по направлению к красному концу спектра могут вообще не создавать электрического потенциала, в то время как слабые лучи света по направлению к фиолетовому концу спектра будут давать все более и более высокие напряжения. Самая низкая частота света, которая может вызвать испускание электронов, называемая пороговой частотой, различается для разных металлов. Это наблюдение противоречит классическому электромагнетизму, согласно которому энергия электрона должна быть пропорциональна интенсивности падающего излучения. Поэтому, когда физики впервые обнаружили устройства, демонстрирующие фотоэлектрический эффект, они изначально ожидали, что более высокая интенсивность света приведет к более высокому напряжению от фотоэлектрического устройства.

Эйнштейн объяснил эффект, постулировав, что луч света - это поток частиц (« фотонов ») и что, если луч имеет частоту f , то каждый фотон имеет энергию, равную hf . Электрон может быть поражен только одиночным фотоном, который передает электрону максимум энергии hf . Следовательно, интенсивность луча не влияет, и только его частота определяет максимальную энергию, которая может быть передана электрону.

Чтобы объяснить пороговый эффект, Эйнштейн утверждал, что для удаления электрона из металла требуется определенное количество энергии, называемое работой выхода и обозначаемое φ . Это количество энергии разное для каждого металла. Если энергия фотона меньше работы выхода, то он не несет достаточной энергии для удаления электрона из металла. Пороговая частота f 0 - это частота фотона, энергия которого равна работе выхода:

φ знак равно час ж 0 . {\ displaystyle \ varphi = hf_ {0}.}

Если f больше f 0 , энергии hf достаточно, чтобы удалить электрон. Выброшенный электрон имеет кинетическую энергию , E K , который, в лучшем случае , равна энергии фотона за вычетом энергии , необходимой , чтобы выбить электрон из металла:

E K знак равно час ж - φ знак равно час ( ж - ж 0 ) . {\ displaystyle E_ {K} = hf- \ varphi = h (f-f_ {0}).}

Описание Эйнштейном света как состоящего из частиц расширило планковское понятие квантованной энергии, которое состоит в том, что один фотон заданной частоты f доставляет неизменное количество энергии hf . Другими словами, отдельные фотоны могут отдавать больше или меньше энергии, но только в зависимости от их частот. В природе одиночные фотоны встречаются редко. Солнце и источники излучения, доступные в 19 веке, каждую секунду излучают огромное количество фотонов, поэтому важность энергии, переносимой каждым фотоном, не была очевидна. Идея Эйнштейна о том, что энергия, содержащаяся в отдельных единицах света, зависит от их частоты, позволила объяснить экспериментальные результаты, которые казались нелогичными. Однако, хотя фотон и является частицей, он все еще описывался как обладающий волнообразным свойством частоты. Фактически учет света как частицы недостаточен, и его волнообразный характер все еще требуется.

Последствия квантования света

Связь между частотой электромагнитного излучения и энергией каждого фотона объясняет, почему ультрафиолетовый свет может вызвать солнечный ожог , а видимый или инфракрасный свет - нет. Фотон ультрафиолетового света излучает большое количество энергии - достаточно, чтобы способствовать повреждению клеток, например, при солнечном ожоге. Фотон инфракрасного света дает меньше энергии - ее достаточно, чтобы согреть кожу. Таким образом, инфракрасная лампа может согреть большую поверхность, возможно, достаточно большую, чтобы людям было комфортно в холодной комнате, но она не может вызвать солнечных ожогов.

Все фотоны одной и той же частоты имеют одинаковую энергию, а все фотоны с разными частотами имеют пропорционально (порядок 1, E photon = hf ) разные энергии. Однако, хотя энергия, передаваемая фотонами, неизменна на любой заданной частоте, начальное энергетическое состояние электронов в фотоэлектрическом устройстве до поглощения света не обязательно является однородным. В случае отдельных электронов могут иметь место аномальные результаты. Например, электрон, который уже был возбужден выше равновесного уровня фотоэлектрического устройства, мог быть выброшен, когда он поглотил нехарактерно низкочастотное излучение. Однако статистически характерное поведение фотоэлектрического устройства отражает поведение подавляющего большинства его электронов, которые находятся на своем равновесном уровне. Этот момент помогает понять различие между изучением отдельных частиц в квантовой динамике и изучением массивных частиц в классической физике.

Квантование материи: модель атома Бора

К началу 20-го века для доказательства потребовалась модель атома с диффузным облаком отрицательно заряженных электронов, окружающим маленькое плотное положительно заряженное ядро . Эти свойства предложили модель, в которой электроны вращаются вокруг ядра, как планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Однако было также известно, что атом в этой модели будет нестабильным: согласно классической теории, вращающиеся электроны испытывают центростремительное ускорение и, следовательно, должны испускать электромагнитное излучение, потеря энергии также заставляет их вращаться по спирали к ядру, сталкиваясь с ним. с ним за доли секунды.

Второй связанной загадкой был спектр излучения атомов. Когда газ нагревается, он излучает свет только на дискретных частотах. Например, видимый свет, излучаемый водородом, состоит из четырех разных цветов, как показано на рисунке ниже. Интенсивность света на разных частотах тоже разная. Напротив, белый свет представляет собой непрерывное излучение во всем диапазоне видимых частот. К концу девятнадцатого века простое правило, известное как формула Бальмера, показало, как частоты разных линий связаны друг с другом, хотя без объяснения, почему это было так, и без каких-либо предсказаний относительно интенсивностей. {2}}} \ right ),}

где R - постоянная Ридберга , равная 0,0110 нм -1 , а n должно быть больше m .

Формула Ридберга учитывает четыре видимые длины волны водорода, задав m = 2 и n = 3, 4, 5, 6 . Он также предсказывает дополнительные длины волн в спектре излучения: для m = 1 и для n > 1 спектр излучения должен содержать определенные длины ультрафиолетовых волн, а для m = 3 и n > 3 он также должен содержать определенные длины волн инфракрасного излучения. Экспериментальное наблюдение этих длин волн произошло два десятилетия спустя: в 1908 году Луи Пашен обнаружил некоторые из предсказанных длин волн инфракрасного излучения, а в 1914 году Теодор Лайман нашел некоторые из предсказанных длин волн ультрафиолетового излучения.

И в формулах Бальмера, и в формулах Ридберга используются целые числа: говоря современным языком, они подразумевают, что какое-то свойство атома квантовано. Понимание того, что это за свойство и почему оно было квантовано, было важной частью развития квантовой механики, как показано в остальной части этой статьи.

Бор модель атома, показывающий электронный при переходе из одной орбиты на другую, испуская фотон

В 1913 году Нильс Бор предложил новую модель атома, которая включала квантованные электронные орбиты: электроны все еще вращаются вокруг ядра так же, как планеты вращаются вокруг Солнца, но им разрешено жить только на определенных орбитах, а не на любом произвольном расстоянии. Когда атом излучал (или поглощал) энергию, электрон не двигался по непрерывной траектории от одной орбиты вокруг ядра к другой, как можно было бы ожидать в классической теории. Вместо этого электрон мгновенно перескочил бы с одной орбиты на другую, испуская излучаемый свет в виде фотона. Возможные энергии фотонов, испускаемых каждым элементом, определялись разницей в энергии между орбитами, и поэтому спектр излучения для каждого элемента будет содержать несколько линий.

Нильс Бор в молодости

Исходя только из одного простого предположения о правиле, которому должны подчиняться орбиты, модель Бора смогла связать наблюдаемые спектральные линии в спектре излучения водорода с ранее известными константами. В модели Бора электрону не разрешалось непрерывно излучать энергию и врезаться в ядро: как только он находился на ближайшей разрешенной орбите, он был стабильным навсегда. Модель Бора не объясняла, почему орбиты должны быть квантованы таким образом, и не могла сделать точных предсказаний для атомов с более чем одним электроном или объяснить, почему одни спектральные линии ярче других.

Некоторые фундаментальные предположения модели Бора вскоре оказались неверными, но главный результат о том, что дискретные линии в спектрах излучения обусловлены некоторыми свойствами электронов в квантованных атомах, верен. Фактическое поведение электронов разительно отличается от поведения атома Бора и от того, что мы видим в мире нашего повседневного опыта; эта современная квантово-механическая модель атома обсуждается ниже . {2}}}} .

Таким образом, предположение Бора о квантовании углового момента означает, что электрон может населять только определенные орбиты вокруг ядра и что он может иметь только определенные энергии. Следствием этих ограничений является то , что электрон не падает на ядро: он не может непрерывно излучать энергию, и она не может подойти ближе к ядру , чем в 0 (радиус Бора).

Электрон теряет энергию, мгновенно перескакивая со своей первоначальной орбиты на более низкую; дополнительная энергия испускается в виде фотона. И наоборот, электрон, который поглощает фотон, получает энергию и, следовательно, перескакивает на орбиту, расположенную дальше от ядра.

Каждый фотон светящегося атомарного водорода возникает из-за того, что электрон движется с более высокой орбиты с радиусом r n на более низкую орбиту r m . Энергия E γ этого фотона представляет собой разность энергий E n и E m электрона:

E γ знак равно E п - E м знак равно k е е 2 2 а 0 ( 1 м 2 - 1 п 2 ) {\ displaystyle E _ {\ gamma} = E_ {n} -E_ {m} = {\ frac {k _ {\ mathrm {e}} e ^ {2}} {2a_ {0}}} \ left ({\ frac {1} {m ^ {2}}} - {\ frac {1} {n ^ {2}}} \ right)}

Поскольку уравнение Планка показывает, что энергия фотона связана с длиной его волны соотношением E γ = hc / λ , длины волн света, который может быть испущен, задаются выражением

1 λ знак равно k е е 2 2 а 0 час c ( 1 м 2 - 1 п 2 ) . {2}} {2a_ {0} hc}}.}

Следовательно, модель атома Бора может предсказывать спектр излучения водорода с помощью фундаментальных констант. Однако он не смог сделать точных прогнозов для многоэлектронных атомов или объяснить, почему одни спектральные линии ярче других.

Дуальность волна-частица

Подобно тому, как свет обладает как волнообразными свойствами, так и свойствами частиц, материя также обладает волновыми свойствами .

Вещество, ведущее себя как волна, впервые было экспериментально продемонстрировано на электронах: пучок электронов может демонстрировать дифракцию , как луч света или волна воды. Позднее аналогичные волновые явления были показаны для атомов и даже молекул.

Длина волны, λ , связанный с любым объектом связана с его импульсом, р , через постоянную Планка , ч :

п знак равно час λ . {\ displaystyle p = {\ frac {h} {\ lambda}}.}

Это соотношение, называемое гипотезой де Бройля, справедливо для всех типов материи: вся материя проявляет свойства как частиц, так и волн.

Концепция дуальности волна-частица утверждает, что ни классическая концепция «частицы», ни «волна» не может полностью описать поведение объектов квантового масштаба, будь то фотоны или материя. Дуальность волна-частица является примером принципа дополнительности в квантовой физике. Элегантный пример дуальности волна-частица, эксперимент с двумя щелями, обсуждается в следующем разделе.

Двухщелевой эксперимент

Дифракционная картина, полученная при прохождении света через одну щель (вверху), и интерференционная картина, создаваемая двумя щелями (внизу). Гораздо более сложный узор из двух щелей с мелкомасштабными интерференционными полосами демонстрирует волнообразное распространение света. Эксперимент с двумя щелями для классической частицы, волны и квантовой частицы, демонстрирующий дуальность волна-частица

В эксперименте с двумя щелями, который первоначально был проведен Томасом Янгом в 1803 году, а затем Августином Френелем десятью годами позже, луч света направляется через две узкие, близко расположенные щели, создавая интерференционную картину из светлых и темных полос на экране. . Если одна из щелей закрыта, можно наивно ожидать, что интенсивность полос из-за интерференции повсюду уменьшится вдвое. Фактически, видна гораздо более простая картина - дифракционная картина, диаметрально противоположная открытой щели. То же самое поведение может быть продемонстрировано в водных волнах, поэтому эксперимент с двумя щелями рассматривался как демонстрация волновой природы света.

Варианты эксперимента с двумя щелями были выполнены с использованием электронов, атомов и даже больших молекул, и виден тот же тип интерференционной картины. Таким образом было продемонстрировано, что вся материя обладает как частицами, так и волновыми характеристиками.

Даже если интенсивность источника уменьшается, так что только одна частица (например, фотон или электрон) проходит через устройство за раз, со временем развивается та же интерференционная картина. Квантовая частица действует как волна при прохождении через двойные щели, но как частица при обнаружении. Это типичная особенность квантовой дополнительности: квантовая частица действует как волна в эксперименте для измерения своих волновых свойств и как частица в эксперименте для измерения своих частиц-подобных свойств. Точка на экране детектора, в которой появляется любая отдельная частица, является результатом случайного процесса. Однако картина распределения многих отдельных частиц имитирует картину дифракции, создаваемую волнами.

Приложение к модели Бора

Де Бройль расширил модель атома Бора , показав, что электрон на орбите вокруг ядра можно рассматривать как обладающий волнообразными свойствами. В частности, электрон наблюдается только в ситуациях, когда вокруг ядра разрешена стоячая волна . Примером стоячей волны является струна скрипки, которая закреплена с обоих концов и может приводить в движение. Кажется, что волны, создаваемые струнным инструментом, колеблются на месте, перемещаясь от гребня к впадине в восходящем и нисходящем движении. Длина стоячей волны зависит от длины вибрирующего объекта и граничных условий. Например, поскольку струна скрипки закреплена с обоих концов, она может переносить стоячие волны с длиной волны , где l - длина, а n - положительное целое число. Де Бройль предположил, что допустимыми электронными орбитами были такие, для которых окружность орбиты была бы целым числом длин волн. Таким образом, длина волны электрона определяет, что возможны только боровские орбиты на определенных расстояниях от ядра. В свою очередь, на любом расстоянии от ядра, меньшем определенного значения, установить орбиту было бы невозможно. Минимально возможное расстояние от ядра называется радиусом Бора. 2 л п {\ displaystyle {\ frac {2l} {n}}}

Трактовка де Бройля квантовых событий послужила отправной точкой для Шредингера, когда он намеревался построить волновое уравнение для описания квантово-теоретических событий.

Вращение

В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах стреляли в атомы серебра через неоднородное магнитное поле . Относительно своего северного полюса, направленного вверх, вниз или где-то посередине, в классической механике магнит, брошенный через магнитное поле, может отклоняться на небольшое или большое расстояние вверх или вниз. Аналогичным образом действовали и атомы, которые Штерн и Герлах пробили через магнитное поле. Однако, хотя магниты можно было отклонять на переменное расстояние, атомы всегда отклонялись бы на постоянное расстояние вверх или вниз. Это означало, что свойство атома, которое соответствует ориентации магнита, должно быть квантовано, принимая одно из двух значений (вверх или вниз), в отличие от свободного выбора под любым углом.

Ральф Крониг создал теорию, согласно которой частицы, такие как атомы или электроны, ведут себя так, как если бы они вращались или «вращались» вокруг оси. Вращение объясняет недостающий магнитный момент и позволяет двум электронам на одной орбитали занимать разные квантовые состояния, если они «вращаются» в противоположных направлениях, таким образом удовлетворяя принципу исключения . Квантовое число представляет смысл спина (положительный или отрицательный).

Выбор ориентации магнитного поля, используемого в эксперименте Штерна – Герлаха, произвольный. В показанной здесь анимации поле вертикальное, поэтому атомы отклоняются вверх или вниз. Если повернуть магнит на четверть оборота, атомы отклонятся влево или вправо. Использование вертикального поля показывает, что вращение вдоль вертикальной оси квантуется, а использование горизонтального поля показывает, что вращение вдоль горизонтальной оси квантуется.

Если вместо попадания в экран детектора один из пучков атомов, выходящих из аппарата Штерна-Герлаха, попадает в другое (неоднородное) магнитное поле, ориентированное в том же направлении, все атомы отклоняются одинаково во втором поле. . Однако, если второе поле ориентировано под углом 90 ° к первому, то половина атомов отклоняется в одну сторону, а половина - в другую, так что спин атома вокруг горизонтальной и вертикальной осей не зависит друг от друга. Однако, если один из этих лучей (например, атомы, которые были отклонены вверх, а затем влево) проходит в третье магнитное поле, ориентированное так же, как и первое, половина атомов движется в одну сторону, а половина в другую, даже если все они изначально шла в том же направлении. Измерение спина атомов относительно горизонтального поля изменило их спин относительно вертикального поля.

Эксперимент Штерна – Герлаха демонстрирует несколько важных особенностей квантовой механики:

  • Было продемонстрировано, что свойство природного мира квантовано и может принимать только определенные дискретные значения.
  • Частицы обладают собственным угловым моментом, который очень похож на угловой момент классически вращающегося объекта.
  • Измерение изменяет систему, которую измеряют в квантовой механике. Может быть известно только вращение объекта в одном направлении, и наблюдение за вращением в другом направлении разрушает исходную информацию о вращении.
  • Квантовая механика вероятностна: положительный или отрицательный спин любого отдельного атома, посланного в устройство, является случайным.

Развитие современной квантовой механики

В 1925 году Вернер Гейзенберг попытался решить одну из проблем, оставшихся без ответа в модели Бора, объяснив интенсивности различных линий в спектре излучения водорода. Посредством ряда математических аналогий он выписал квантово-механический аналог для классического вычисления интенсивностей. Вскоре после этого коллега Гейзенберга Макс Борн понял, что метод Гейзенберга по вычислению вероятностей переходов между различными уровнями энергии лучше всего можно выразить с помощью математической концепции матриц .

В том же году, основываясь на гипотезе де Бройля, Эрвин Шредингер разработал уравнение, описывающее поведение квантово-механической волны. Математическая модель, названная уравнением Шредингера в честь его создателя, является центральной в квантовой механике, определяет разрешенные стационарные состояния квантовой системы и описывает, как квантовое состояние физической системы изменяется во времени. Сама волна описывается математической функцией, известной как « волновая функция ». Шредингер сказал, что волновая функция обеспечивает «средство для предсказания вероятности результатов измерения».

Шредингер смог рассчитать уровни энергии водорода, рассматривая электрон атома водорода как классическую волну, движущуюся в яме электрического потенциала, созданного протоном. Этот расчет точно воспроизводит уровни энергии модели Бора.

В мае 1926 года Шредингер доказал, что матричная механика Гейзенберга и его собственная волновая механика сделали одни и те же предсказания относительно свойств и поведения электрона; математически эти две теории имели общую форму. Тем не менее, двое мужчин разошлись во мнениях относительно интерпретации их общей теории. Например, Гейзенберг принял теоретическое предсказание скачков электронов между орбиталями в атоме, но Шредингер надеялся, что теория, основанная на непрерывных волновых свойствах, сможет избежать того, что он назвал (перефразируя Вильгельмом Вином ) «этой чепухой о квантовых скачках». . В конце концов подход Гейзенберга победил, и квантовые скачки подтвердились.

Копенгагенская интерпретация

Институт Нильса Бора в Копенгагене, который был центром внимания исследователей квантовой механики и смежных дисциплин в 1920-х и 1930-х годах. Большинство самых известных в мире физиков-теоретиков проводили там время.

Бор, Гейзенберг и другие пытались объяснить, что на самом деле означают эти экспериментальные результаты и математические модели. Их описание, известное как копенгагенская интерпретация квантовой механики, было направлено на описание природы реальности, которая исследовалась посредством измерений и описывалась математическими формулировками квантовой механики.

Основные принципы копенгагенской интерпретации:

  1. Система полностью описывается волновой функцией , обычно представленной греческой буквой («psi»). (Гейзенберг) ψ {\ displaystyle \ psi}
  2. Как меняется с течением времени, дается уравнением Шредингера. ψ {\ displaystyle \ psi}
  3. Описание природы по своей сути вероятностное. Вероятность события - например, когда на экране появляется частица в эксперименте с двумя щелями - связана с квадратом абсолютного значения амплитуды ее волновой функции. ( Правило Борна , созданное Максом Борном , которое придает физический смысл волновой функции в копенгагенской интерпретации: амплитуда вероятности )
  4. Невозможно узнать значения всех свойств системы одновременно; те свойства, которые неизвестны с точностью, должны описываться вероятностями. (Принцип неопределенности Гейзенберга )
  5. Материя, как и энергия, демонстрирует дуализм волна-частица. Эксперимент может продемонстрировать свойства материи, подобные частицам, или ее волнообразные свойства; но не оба одновременно. ( Принцип дополнительности Бора)
  6. Измерительные устройства по сути являются классическими устройствами и измеряют классические свойства, такие как положение и импульс.
  7. Квантово-механическое описание больших систем должно близко приближаться к классическому описанию. ( Принцип соответствия Бора и Гейзенберга)

Различные следствия этих принципов более подробно обсуждаются в следующих подразделах.

Принцип неопределенности

Предположим, необходимо измерить положение и скорость объекта - например, автомобиля, проезжающего через радарный датчик скорости. Можно предположить, что автомобиль имеет определенное положение и скорость в определенный момент времени. Насколько точно можно измерить эти значения, зависит от качества измерительного оборудования. Если точность измерительного оборудования улучшена, результат будет ближе к истинному значению. Можно было бы предположить, что скорость автомобиля и его положение могут быть оперативно определены и измерены одновременно, настолько точно, насколько это необходимо.

В 1927 году Гейзенберг доказал, что это последнее предположение неверно. Квантовая механика показывает, что определенные пары физических свойств, например положение и скорость, нельзя одновременно измерить или определить в эксплуатационных терминах с произвольной точностью: чем точнее измеряется или определяется одно свойство в операционных терминах, тем менее точно может быть измерено одно свойство. другой. Это утверждение известно как принцип неопределенности . Принцип неопределенности - это не только утверждение о точности нашего измерительного оборудования, но, в более глубоком смысле, о концептуальной природе измеряемых величин - предположение о том, что автомобиль одновременно определял положение и скорость, не работает в квантовой механике. В масштабе автомобилей и людей эти неопределенности незначительны, но когда имеешь дело с атомами и электронами, они становятся критическими.

Гейзенберг привел в качестве иллюстрации измерение положения и импульса электрона с помощью фотона света. При измерении положения электрона, чем выше частота фотона, тем точнее измерение положения столкновения фотона с электроном, но тем больше возмущение электрона. Это связано с тем, что при столкновении с фотоном электрон поглощает случайное количество энергии, что делает полученное измерение его импульса все более неопределенным (импульс - это скорость, умноженная на массу), так как каждый обязательно измеряет его возмущенный импульс после удара от продукты столкновения, а не его первоначальный импульс. При использовании фотона с более низкой частотой возмущение (и, следовательно, неопределенность) в импульсе меньше, но также уменьшается точность измерения положения удара.

В основе принципа неопределенности лежит не загадка, а тот простой факт, что для любого математического анализа в области положения и скорости ( анализ Фурье ) получение более резкой (более точной) кривой в области положения может быть выполнено только в за счет более плавной (менее точной) кривой в области скорости, и наоборот. Для большей резкости в области положения требуется вклад большего количества частот в области скорости для создания более узкой кривой, и наоборот. Это фундаментальный компромисс, присущий любым подобным связанным или дополнительным измерениям, но он действительно заметен только в самом маленьком (планковском) масштабе, близком к размеру элементарных частиц .

Принцип неопределенности математически показывает, что произведение неопределенности положения и импульса частицы (импульс - это скорость, умноженная на массу) никогда не может быть меньше определенного значения, и что это значение связано с постоянной Планка .

Коллапс волновой функции

Коллапс волновой функции означает, что измерение вызвало или преобразовало квантовое (вероятностное или потенциальное) состояние в определенное измеренное значение. Это явление наблюдается только в квантовой механике, а не в классической механике.

Например, до того, как фотон действительно «появится» на экране обнаружения, его можно описать только с помощью набора вероятностей того, где он может появиться. Когда он действительно появляется, например, в ПЗС-матрице электронной камеры, время и пространство, в котором он взаимодействует с устройством, известны в очень жестких пределах. Однако фотон исчез в процессе захвата (измерения), и его квантовая волновая функция исчезла вместе с ним. На его месте появилось какое-то макроскопическое физическое изменение на экране обнаружения, например, открытое пятно на листе фотопленки или изменение электрического потенциала в какой-либо ячейке ПЗС-матрицы.

Собственные состояния и собственные значения

Для более подробного введения в этот предмет см. Введение в собственные состояния.

Из-за принципа неопределенности утверждения о положении и импульсе частиц могут указывать только на вероятность того, что положение или импульс имеют некоторое числовое значение. Следовательно, необходимо четко сформулировать разницу между состоянием чего-то неопределенного, например электрона в облаке вероятности, и состоянием чего-то, имеющего определенное значение. Когда объект определенно может быть «прижат» в некотором отношении, говорят, что он обладает собственным состоянием .

В эксперименте Штерна – Герлаха, описанном выше , спин атома вокруг вертикальной оси имеет два собственных состояния: вверх и вниз. Прежде чем приступить к его измерению, мы можем только сказать, что любой отдельный атом с равной вероятностью будет обнаружен как имеющий вращение вверх или вниз. В процессе измерения волновая функция коллапсирует в одно из двух состояний.

Собственные состояния спина вокруг вертикальной оси не являются одновременно собственными состояниями спина вокруг горизонтальной оси, поэтому у этого атома с равной вероятностью будет обнаружено любое значение спина вокруг горизонтальной оси. Как описано в разделе выше , измерение вращения вокруг горизонтальной оси может позволить атому, который был раскручен вверх, вращаться вниз: измерение его вращения вокруг горизонтальной оси коллапсирует его волновую функцию в одно из собственных состояний этого измерения, что означает больше не в собственном состоянии вращения вокруг вертикальной оси, поэтому может принимать любое значение.

Принцип исключения Паули

В 1924 году Вольфганг Паули предложил новую квантовую степень свободы (или квантовое число ) с двумя возможными значениями, чтобы устранить несоответствия между наблюдаемыми молекулярными спектрами и предсказаниями квантовой механики. В частности, спектр атомарного водорода имел дублет или пару линий, отличающихся на небольшую величину, в то время как ожидалась только одна линия. Паули сформулировал свой принцип исключения , заявив: «Не может существовать атом в таком квантовом состоянии, чтобы два электрона внутри [него] имели одинаковый набор квантовых чисел».

Год спустя Уленбек и Гаудсмит идентифицировали новую степень свободы Паули со свойством, называемым спином , эффекты которого наблюдались в эксперименте Штерна-Герлаха.

Приложение к атому водорода

Модель атома Бора была по сути планетарной, с электронами, вращающимися вокруг ядерного «солнца». Однако принцип неопределенности гласит, что электрон не может одновременно иметь точное местоположение и скорость, как планета. Говорят, что вместо классических орбит электроны обитают на атомных орбиталях . Орбиталь - это «облако» возможных мест, в которых может быть обнаружен электрон, скорее распределение вероятностей, чем точное местоположение. Каждая орбиталь является трехмерной, а не двухмерной, и часто изображается как трехмерная область, в которой существует 95-процентная вероятность нахождения электрона.

Шредингер удался вычислить энергетические уровни водорода путем обработки представляет атом водорода в электроне как волна, представленный « волновая функция » Ф , в электрическом потенциале хорошо , V , созданный протон.

Многомировая интерпретация квантовой механики (Стэнфордская энциклопедия философии)

Основная идея MWI, восходящая к Эверетт 1957, в том, что во Вселенной есть мириады миров помимо мир, о котором мы знаем. В частности, каждый раз, когда квант эксперимент с разными возможными исходами выполнены, все результаты получены, каждый в другом мире, даже если бы мы осознавали мир только с тем результатом, который мы видели. В Фактически, квантовые эксперименты проводятся везде и очень часто, а не только в физических лабораториях: даже нерегулярное мигание старого люминесцентная лампа - это квантовый эксперимент.

Существует множество вариаций и переосмыслений оригинала. Предложения Эверетта, большинство из которых кратко обсуждается в статье о Формулировка относительного состояния квантовой механики Эверетта. Здесь особый подход к MWI (который отличается от популярный подход «актуального расщепления миров» в Де Витт 1970) будут представлены подробно, после чего состоится обсуждение, актуальное для много вариантов MWI.

MWI состоит из двух частей:

  1. Математическая теория, которая дает временную эволюцию квантовое состояние (единой) Вселенной.
  2. Рецепт, устанавливающий соответствие между квантовое состояние Вселенной и наш опыт.

Часть (i) по существу резюмируется уравнением Шредингера или его релятивистское обобщение. Это строгий математический теории и не представляет проблем с философской точки зрения. Часть (ii) включает «Наш опыт», не имеющий строгого определения. An Дополнительная трудность в настройке (ii) вытекает из того факта, что человеческие языки были разработаны в то время, когда люди не подозревали существование параллельных миров.

Математическая часть MWI (i) дает меньше, чем математическая части некоторых других теорий, таких как, например, Бомовская механика. Шредингер само уравнение не объясняет, почему мы получаем определенные результаты в квантовые измерения. Напротив, в бомовской механике математическая часть дает почти все, и аналог (ii) очень просто: это постулат, согласно которому только «бомовский позиции »(а не квантовая волна) соответствуют нашим опыт.Бомовское положение всех частиц дает знакомое картина (единого) мира, о котором мы знаем. Таким образом, философски теория, подобная бомовской механике, достигает большего, чем MWI, но цена добавления нелокальной динамики бомовской частицы позиции.

2.1 Что такое «мир»?

Мир - это совокупность макроскопических объектов: звезд, городов, люди, песчинки и т. д. в определенном классическом описании штат.

Концепция «мира» в MWI принадлежит части (ii) теории, я.е., это не строго определенная математическая сущность, а термин определяется нами (живыми существами) при описании нашего опыта. Когда мы относятся к «определенному классически описанному состоянию», скажем, кошки, это означает, что положение и состояние (жив, мертв, улыбается и т. д.) кота максимально уточняется по нашей способности различать альтернативы, и что эта спецификация соответствует классической картине, например, нет наложения мертвых и живые кошки разрешены в одиночном Мир.

Другая концепция, более близкая к первоначальному предложению Эверетта, см. Сондерс 1995, это относительный или перспективный мир, определенный для каждого физического система и каждое из ее состояний (при условии, что это состояние ненулевая вероятность): я назову это миром с центром в . Этот концепция полезна, когда мир сосредоточен на состоянии восприятия разумное существо. В этом мире все объекты, которые разумное существо воспринимает есть определенные состояния, но объекты, которые не находятся под наблюдение может быть в суперпозиции разных (классических) состояния.Преимущество центрированного мира в том, что квантовое явление в далекой галактике его не расколоть, а преимущество представленное здесь определение состоит в том, что мы можем рассматривать мир без указание центра, и, в частности, наш обычный язык такой же полезно для описания миров, существовавших во времена, когда не было живые существа.

Концепция мира в MWI основана на непрофессиональном представление о мире; однако некоторые функции отличаются. Очевидно, что определение мира как все, что существует не хранится в MWI.«Все, что существует» - это Вселенная, а Вселенная только одна. Вселенная включает в себя много миров, подобных тому, с которым знаком неспециалист. Обыватель считает, что наш нынешний мир имеет уникальное прошлое и будущее. Согласно MWI, мир определился в какой-то момент времени соответствует уникальному миру в то время в прошлом, но множество миров одновременно в будущем.

2.2 Кто «я»?

«Я» - объект, такой как Земля, кошка, и т.д. «Я» определяется в конкретный момент полным (классическое) описание состояния моего тела и моего мозг.«Я» и «Лев» не относятся к одному и тому же вещи (хоть меня зовут Лев). В настоящий момент есть много разных «Лев» в разных мирах (не более по одному в каждом мире), но бессмысленно говорить, что сейчас есть другое «я». У меня есть конкретное, четко определенное прошлое: я соответствуют конкретному «леву» 2012 года, но не конкретный «Лев» в будущем: мне соответствует множество «Левов» в 2022 году. В рамках MWI бессмысленно спрашивать: каким Левом я буду в 2022 году? я буду соответствуют им всем.Каждый раз, когда я провожу квантовый эксперимент (с несколькими возможными результатами) мне только кажется, что я получаю однозначный результат. Действительно, Лев, получивший именно этот результат так думает. Однако этот Лев нельзя назвать единственным Лев после эксперимента. Лев перед экспериментом соответствует всем «Лев» добился всех возможных результатов.

Хотя такой подход к концепции личности кажется несколько необычным, это правдоподобно в свет критики личной идентичности Парфит 1986.Parfit рассматривает искусственные ситуации, в которых человек раскалывается в несколько экземпляров, и утверждает, что нет хорошего ответа на вопрос: Какая копия у меня? Он приходит к выводу, что личность не имеет значения, когда я делюсь. Сондерс и Уоллес 2008a утверждают, что на основе по семантике Льюиса 1986 можно найти значение этого вопроса. Однако в своем ответе 2008b к Таппенден 2008 они подчеркивают, что их работа не о природе «я», а про «работоспособность». В самом деле, как будет объяснено ниже, я должен вести себя так, как если бы "Какая копия моя?" это законный вопрос.

Нам не следует ожидать подробного и полного объяснения наш опыт с точки зрения волновой функции 10 33 частицы, из которых состоят мы и наше ближайшее окружение. Мы только уметь рисовать простую картину, свободную от парадоксов. Есть много попыток объяснить то, что мы видим на основе на MWI или его вариантах в Локвуд 1989, Гелл-Манн и Хартл 1990 г., Альберт 1992, Сондерс 1993, Пенроуз 1994, Чалмерс 1996, Deutsch 1996, Joos et al. 2003, г. Schlosshauer 2007, Zurek 2009, и Уоллес 2012. Набросок связи между волновыми функциями Вселенной и наш опыт следует.

3.1 Квантовое состояние макроскопического объекта

Основа соответствия квантового состояния (волновой функция) Вселенной, и наш опыт - это описание, которое физики дают в рамках стандартной квантовой теории для объектов состоит из элементарных частиц. Однородные элементарные частицы идентичны.Следовательно, сущность объекта - это квантовое состояние его частиц, а не самих частиц (см. подробный обсуждение в статье о идентичность и индивидуальность в квантовой теории): одно квантовое состояние набора элементарных частиц может быть кошкой и другое состояние тех же частиц может быть маленьким стол. Ясно, что сейчас мы не можем записать точную волновую функцию Кот. Мы знаем с разумным приближением волновую функцию некоторые элементарные частицы, составляющие нуклон.Волна функция электронов и нуклонов, которые вместе составляют атом известен с еще большей точностью. Волновые функции молекул (т.е. волновые функции ионов и электронов вне какие молекулы построены) хорошо изучены. О биологические клетки, поэтому физики могут записать грубую форму квантовое состояние клетки. Из клеток мы строим различные ткани и потом все тело кота или стола. Итак, обозначим квантовое состояние построено таким образом | Ψ › ОБЪЕКТ .

В нашей конструкции | Ψ › ОБЪЕКТ - квантовое состояние объекта в определенном состоянии и должность. Согласно принятому нами определению мира, в каждом В мире кошка находится в определенном состоянии: либо жива, либо мертва. Эксперимент Шредингера с кошкой приводит к расщеплению миров еще до открытия коробки. Только в альтернативе подход - это кот Шредингера, который находится в суперпозиции быть живым и мертвым, членом (единого) центрированного мира наблюдатель перед тем, как открыть запечатанную коробку с кошкой ( наблюдатель непосредственно воспринимает факты, связанные с подготовкой эксперимент, и она делает вывод, что кошка находится в суперпозиции).

Формально квантовое состояние объекта, состоящего из N частицы определены в пространственном конфигурационном пространстве 3N . Однако для связи с нашим опытом крайне важно понять квантовое состояние как запутанную волновую функцию N частиц в пространственном пространстве 3 . Физический взаимодействия являются локальными в измерениях 3 , и мы испытываем только объекты определены в 3-м пространстве. Плотность волновой функции молекулы макроскопического объекта в 3-м пространстве - это мост между волновая функция объекта и наш опыт этого объект.Эта концепция, являющаяся свойством только волновой функции, играет роль примитивной онтологии , присутствующей в других интерпретации квантовой механики, Allori et al. 2014.

3.2 Квантовое состояние мира

Волновая функция всех частиц Вселенной, соответствующая любому конкретный мир будет произведением состояний наборов частиц соответствующий всем объектам в мире, умноженный на квантовую штат | Φ › всех частиц, которые не составляют «объекты».В пределах мире, «объекты» имеют определенные макроскопические состояния посредством фиат:

| Ψ МИР › знак равно | Ψ › ОБЪЕКТ 1 | Ψ › ОБЪЕКТ 2 ... | Ψ › ОБЪЕКТ N | Φ ›. (1)

Состояние продукта только для переменных, которые имеют отношение к макроскопическое описание объектов. Могут быть некоторые запутанность между слабосвязанными переменными, такими как ядерные спины принадлежность к разным объектам.Чтобы сохранить форму квантовое состояние мира (1), квантовое состояние таких переменных должен принадлежать | Φ ›.

Рассмотрим описание квантовых измерений в учебнике на основе фон Неймана 1955 г., согласно которому каждый квантовое измерение заканчивается коллапсом волновой функции до собственное состояние измеряемой переменной. Квантовое измерение устройство должно быть макроскопическим объектом с макроскопически разными состояния, соответствующие различным исходам.В этом случае MWI волновая функция всех частиц, соответствующая миру с определенной результат такой же, как в теории фон Неймана, при условии, что коллапс к волновой функции с таким исходом. Фон Нейман 1955 анализ помогает понять переписку между волновой функцией и нашим восприятием мира. Однако, как Беккер 2004 объясняет, статус волны функция фон Неймана не является онтологической, как в описанном MWI здесь, но эпистемологический: он обобщает информацию о результатах измерения.

В большинстве случаев к нашему пониманию относятся только макроскопические объекты. опыт. Однако сегодняшние технологии достигли точки, когда интерференционные эксперименты проводятся с одиночными частицами. В таком ситуации описание мира с состояниями только макроскопических объекты, такие как источники и детекторы, возможны, но громоздки. Поэтому полезно добавить описание микроскопических объектов. Вайдман 2010 утверждает, что правильный способ описания соответствующие микроскопические частицы определяются вектором двух состояний, который состоит из обычного, перспективного состояния, определяемого измерение в прошлом и состояние обратной эволюции, определяемое измерения в будущем.Такое описание дает простой объяснение слабого следа, оставляемого частицами, Vaidman 2013.

3.3 Квантовое состояние Вселенной

Квантовое состояние Вселенной можно разложить на суперпозиция терминов, соответствующих разным мирам:

| Ψ UNIVERSE › знак равно ∑α и | Ψ МИР i ›. (2)

Разные миры соответствуют разным классически описанным состояния хотя бы одного объекта.Различные классически описанные состояния соответствуют ортогональным квантовым состояниям. Поэтому разные миры соответствуют ортогональным состояниям: все состояния | Ψ МИР i › взаимно ортогональны и следовательно, ∑ | α i | 2 = 1.

3,4 FAPP

Построение квантового состояния Вселенной в терминах квантовые состояния представленных выше объектов являются приблизительными; это хорош только для всех практических целей (FAPP).Действительно, понятие самого объекта не имеет строгого определения: должна ли мышь что кошка, только что проглоченная, считается частью кошки? В понятие «определенная позиция» тоже только приблизительно определено: как далеко нужно переместить кошку, чтобы считается, что он находится в другом положении? Если смещение намного меньше квантовой неопределенности, необходимо учитывать, что находиться в том же месте, потому что в этом случае квантовое состояние кошка почти такая же, и смещение не обнаруживается в принцип.Но это только абсолютная граница, потому что наша способность различать различные локации кошки далеко от этого кванта предел. Кроме того, состояние объекта (например, живого или мертвого) имеет смысл, только если объект рассматривается в течение определенного периода времени. В наша конструкция, однако, квантовое состояние объекта определяется в определенное время. Фактически, мы должны гарантировать, что квантовый состояние будет иметь форму объекта не только в то время, но и для какой-то период времени. Раскол мира в этот период времени еще один источник двусмысленности, потому что нет точного определения того, когда происходит расщепление.Время расщепления соответствует моменту коллапса в подходе, задаваемом von Neumann 1955. Он представил очень обширный обсуждение, показывающее, что не имеет значения, когда именно рухнет происходит, и этот анализ также показывает, что не имеет значения, когда происходит расщепление MWI.

Причина в том, что можно предложить только приблизительную рецепт соответствия между квантовым состоянием Вселенная и наш опыт по сути те же, что и причина, которая привела Белл 1990 утверждать, что «обычная квантовая механика это просто замечательный FAPP ».Используемые нами понятия: «объект», «Измерение» и т. Д. Четко не определены. Белл и многие другие искали (до сих пор тщетно) «точного квантовая механика". Поскольку для физической теории этого недостаточно Чтобы быть просто прекрасным FAPP, квантовая механика нуждается в строгих основах. Действительно, MWI имеет строгие основы для (i), «физика часть »теории; только часть (ii), переписка с нашим опыт, примерный (просто отлично FAPP). Но «отлично FAPP »означает, что теория объясняет наш опыт для любых возможный эксперимент, и это цель (ii).Видеть Wallace 2002, 2010a подробнее аргументы, почему определения мира FAPP достаточно.

3.5 Предпочтительная основа

Математическая структура теории (i) допускает бесконечно много способы разложить квантовое состояние Вселенной на суперпозиция ортогональных состояний. Основание для разложения в миры следует из общей концепции мира, состоящего объектов в определенных положениях и состояниях («определенных» на масштаб нашей способности различать их).В альтернативе подход, основа центрированного мира определяется непосредственно наблюдатель. Следовательно, учитывая характер наблюдателя и ее концепции для описания мира, особый выбор разложение (2) следует (с точностью, которая является хорошей FAPP, поскольку обязательный). Если мы не спросим, ​​почему мы такие, какие мы есть, и почему мир мы воспринимаем то, что есть, но только то, как мы можем объяснить отношения между событиями, которые мы наблюдаем в нашем мире, тогда проблема предпочтительной основы не возникает: мы и концепции нашего мира определить предпочтительную основу.

Но если мы спросим, ​​почему мы такие, какие мы есть, мы сможем объяснить больше. Смотря на детали физического мира, структура гамильтониана, значение постоянной Планка и др., можно понять, почему мы знаем, что живые существа принадлежат к определенному типу, и почему они их особые концепции для описания своих миров. Главный аргумент состоит в том, что локальность взаимодействий дает стабильность миров, в которых хорошо локализованы объекты. В малое значение постоянной Планка позволяет макроскопическим объектам быть хорошо локализован на длительный период времени.Соответствующие миры в локализованные квантовые состояния | Ψ МИР i › не расщепляются на достаточно долгое время, чтобы живые существа могли воспринимать расположение макроскопических объектов. Напротив, «мир» полученный в другом разложении, например, «мир +», который характеризуется относительной фазой суперпозиции состояний макроскопические объекты, находящиеся в макроскопически различимых состояниях A и B, 1 / √2 (| Ψ A ›+ | Ψ B ›) | Φ ›, сразу же распадается в течение периода времени, который намного меньше, чем время восприятия любого возможного живого существа в два мира: новый «мир +» и «мир -»: 1 / √2 (| Ψ A ›- | Ψ B ›) | Φ ′ ›.Это явление декогеренции который в последние годы привлек огромное внимание, например, Joos et al. 2003, г. Журек 2003, Schlosshauer 2007, также в рамках «декогерентных историй» Гелл-Манн и Хартл 1990 г., см. Saunders 1995.

3.6 Мера существования

Во Вселенной существует множество параллельных миров. Хотя все миры имеют одинаковый физический размер (это может быть неверно, если мы учитывать квантовые аспекты ранней космологии), а в все живые существа в мире чувствуют себя такими же «реальными», как и в любом другом world, в некотором смысле одни миры больше других.Я описываю это свойство как мера существования мира.

Мера существования мира определяет его способность к вмешиваться в другие миры в умственном эксперименте, см. Вайдман 1998 (стр. 256), и является основой для введения (иллюзии) вероятность в MWI. Мера существования - это параллель мера вероятности, обсуждаемая в Эверетт 1957 и наглядно описан в Локвуд 1989 (с. 230).

Учитывая разложение (2), мера существования мира i есть µ i знак равно | α i | 2 .Его также можно выразить как математическое ожидание P i , оператор проецирования на пространство квантовых состояний, соответствующих действительным значениям всех физические переменные, описывающие мир i :

мкм i ≡ ‹Ψ UNIVERSE P i ∣ Ψ UNIVERSE ›. (3)

«Я» тоже имеет меру существования.Это сумма меры существования всех различных миров, в которых я существую; Это также можно определить как меру существования моего восприятия Мир. Обратите внимание, что я не испытываю непосредственного измерения моего существование. Я чувствую тот же вес, вижу ту же яркость, и т.д., независимо от того, насколько крошечной может быть моя мера существования.

Вероятность в MWI не может быть введена простым способом, как в квантовая теория с коллапсом. Однако даже если нет вероятности в MWI можно объяснить нашу иллюзию очевидного вероятностные события.Из-за тождества математической копии миров, не стоит ожидать разницы между наш опыт в конкретном мире MWI и опыт в единственная вселенная с коллапсом при каждом квантовом измерении.

4.1 Вероятность из неопределенности

Сложность концепции вероятности в детерминированном теория, такая как MWI, заключается в том, что единственное возможное значение для вероятность - это незнание, вероятность, но нет соответствующая информация, которую наблюдатель, который собирается провести о квантовом эксперименте ничего не известно.Квантовое состояние Вселенная в одно время всегда задает квантовое состояние. Если я собирается провести квантовый эксперимент с двумя возможными исходами, такими как что стандартная квантовая механика предсказывает вероятность 1/3 для результата A и 2/3 для результата B, то, согласно MWI, оба мира с результат A и мир с исходом B будут существовать. Бессмысленно спросите: «Какова вероятность того, что я получу пятерку вместо Б? » потому что я буду соответствовать обоим «Лев»: тот, кто наблюдает за A, и другой, кто наблюдает за B.

Чтобы решить эту проблему, Альберт и Лёвер, 1988 г. предложил интерпретацию многих умов (в которой разные миры находятся только в умах живых существ). Помимо квантового волна Вселенной, Альберт и Лёвер постулируют, что каждый разумный бытие имеет континуум умов. Всякий раз, когда квантовая волна Вселенная превращается в суперпозицию, содержащую состояния разумного соответствуя различным представлениям, умы этого разумные существа развиваются случайным образом и независимо от психических состояний соответствующие этим различным состояниям восприятия (с вероятности равны квантовым вероятностям для этих состояний).В в частности, всякий раз, когда измерение выполняется наблюдателем, в уме наблюдателя развиваются психические состояния, соответствующие восприятию различных исходов, то есть соответствующие мирам A или B в наш пример. Поскольку существует континуум умов, всегда будет бесконечность умов любого живого существа, и процедура может продолжать бесконечно. Это решает проблему: каждый «Я» соответствует одному разуму и попадает в состояние соответствующий миру с определенным исходом.Однако это решение достигается ценой введения дополнительной структуры в теория, включая действительно случайный процесс.

Saunders 2010 утверждает, что решает проблему без введение дополнительной структуры в теорию. Работа в Гейзенберга, он использует соответствующую семантику и мереология, согласно которой различные миры не имеют общих частей, даже в ранние времена, когда миры качественно идентичны. В терминологии Lewis 1986 (p. 206) мы имеем расхождение миры, а не перекрываются.Уилсон 2013 развивает эту идею, вводя фреймворк под названием «индексикализм», который включает в себя набор отчетливый расходящиеся «параллельные» миры, в которых каждый наблюдатель расположены только в одном мире, и все предложения толкуются как саморасполагающийся (индексный). В По словам Уилсона, «индексикализм позволяет нам оправдать трактовку веса как кандидат в объективную вероятностную меру ». Тем не мение, это не ясно, как эта программа может быть успешной, так как ее трудно идентифицировать расходящиеся миры в нашем опыте, и в математический формализм стандартной квантовой механики, который может быть аналог расходящихся миров, см. также Кент 2010 (стр.345). В следующем разделе веса, связанные с миры связаны с вероятностью субъективного незнания.

4.2 Иллюзия вероятности из-за погрешности после измерения

Tappenden 2011 поддерживает предложение объяснить, как возникает иллюзия вероятности, Vaidman1998, 2012, в котором я определить вероятность незнания с помощью пост-измерения неопределенность. Кажется бессмысленным спрашивать: «Что такое вероятность того, что Лев в мире А будет наблюдать A ? » Эта вероятность тривиально равна 1.Задача определить вероятность таким образом, чтобы мы могли восстановить прогноз стандартного подхода, где вероятность для A составляет 1/3. Действительно бессмысленно спрашивать у вас , что такое вероятность того, что Лев в мире A будет наблюдать A , но этот вопрос может быть значимым, если обратиться к Льву в мире исход А . В нормальных условиях мир A создается (т.е. измерительные приборы и объекты, которые взаимодействуют с измерительные приборы становятся локализованными в соответствии с результатом A ) прежде чем Лев узнает о результате A .Тогда разумно спросите этого Льва о его вероятности оказаться в мире A . Существует точный исход, который увидит этот Лев, но он не знает этого результат на момент вопроса. Чтобы подчеркнуть это яркий, я предложил эксперимент, в котором экспериментатор получает снотворное перед экспериментом. Затем, когда он спит, он перемещается в комнату A или в комнату B в зависимости от результатов эксперимент. Когда экспериментатор проснулся (в одной из комнат), но прежде чем он откроет глаза, его спрашивают: «В какой комнате ты?" Конечно, вопрос в том, какая комната он в (он может узнать об этом, открыв глаза), но он не осведомлены об этом факте во время вопроса.

Эта конструкция дает толкование незнания вероятности, но следует постулировать значение вероятности:

Постулат вероятности
Наблюдатель должен установить свою субъективную вероятность исхода квантовый эксперимент пропорционально общей мере существования все миры с таким исходом.

Этот постулат (названный Правило Борна-Вайдмана Таппенден 2011) является аналог постулата коллапса стандартной квантовой механики согласно которому после измерения квантовое состояние коллапсирует до конкретная ветвь с вероятностью, пропорциональной ее квадрату амплитуда.(См. Раздел о проблеме измерения в запись на философские вопросы квантовой теории.) Однако он отличается в двух аспектах. Во-первых, это параллели только вторая часть постулата коллапса, правило Борна, и во-вторых, это относится только к части (ii) MWI, связи с наш опыт, а не математическая часть теории (я).

Вопрос о вероятности получения А также имеет смысл для Лев в мире B , прежде чем он узнает о результате.И то и другое «Лев» имеют ту же информацию, на основании которой они должны дать свой ответ. Согласно постулату вероятности они будут дайте то же ответ : 1/3 (относительная мера существования мира А ). Поскольку Лев перед измерением связан с два «Лев» после измерения, которые имеют одинаковое незнание концепции вероятности исхода эксперимента, я могу определить вероятность того, что исход эксперимента будет выполненная как вероятность незнания наследников Льва за то, что они в мире с определенным исходом.

Аргумент «снотворное» не снижает вероятность результат квантового эксперимента к знакомой концепции вероятности в классическом контексте. Квантовая ситуация действительно другой. Поскольку все результаты квантового эксперимента поняли, нет никакой вероятности в обычном понимании. Тем не менее моя конструкция побуждает всех верующих в MWI вести себя в соответствии со следующим принцип:

Принцип поведения
Мы заботимся обо всех наших последующих мирах пропорционально их меры существования.

С этим принципом наше поведение должно быть похоже на поведение верующий в теорию коллапса, которого волнует возможное будущее миры пропорционально вероятности их появления.

Есть и другие аргументы в пользу постулата вероятности. В более ранний подход, Tappenden 2000 (стр. 111) принимает другую семантику, согласно которой «я» живу во всех ветвей и имеют «отличный опыт» в разных «Сверхсрезы». Он использует «вес сверхсрез »вместо меры существования и утверждает, что в соответствии с постулатом вероятности можно связать вероятности.Использование различных идей в декогеренции теории, такие как относительная теория времени и теории идентичности время, Saunders 1998 также выступает за «Отождествление вероятности с нормой гильбертова пространства» (которая равняется мере существования). Стр. 2003 продвигает подход под названием Mindless Сенсационность . Основная концепция этого подхода - сознательный опыт. Он присваивает вес разным опыт в зависимости от квантового состояния Вселенной, поскольку математические ожидания неизвестных на данный момент положительных операторов соответствующий опыту (аналогично мерам существование соответствующих миров (3)).Пейдж пишет: «… у некоторых чувство большего… »Во всех этих подходах постулат вводится по аналогии с трактовкой времени, например, мера существования мира аналогична продолжительности интервал времени. Обратите внимание также на Гривза 2004, который пропагандирует «Принцип поведения» на основе Теоретико-решающий принцип отражения, относящийся к следующему разделу.

4.3 Постулат вероятности из теории принятия решений

В своей амбициозной работе Deutsch 1999 утверждал, что вывести постулат вероятности из квантовой формализм и классическая теория принятия решений.В аргументе Дойча понятие вероятности реализуется путем сведения к предпочтения агента по ставкам. Итак, агент, которому безразлично получение 20 долларов на тех отделениях, где наблюдается «раскрутка» и получение 10 долларов во всех отделениях по определению считается вероятность 1/2 к ветвям раскрутки вверх. Затем Дойч пытается доказать, что единственная рационально связная стратегия агента - это назначить эти операционализированные «вероятности» равными квантово-механические веса ветвей.Уоллес 2003, 2007, 2010b, 2012 разработал этот подход, четко обозначив молчаливые допущения в аргументации Дойча. В самой последней версии Основными предположениями этих доказательств являются (i) симметрия структура унитарной квантовой механики; (ii) что агент предпочтения постоянны во времени; (iii) что агент равнодушен к мелкозернистой разветвленной структуре мира на se. Ранняя критика подхода Дойча-Уоллеса была сосредоточена на проблемы округлости (Barnum et al. 2000, г. Бейкер 2007, Хеммо и Питовски 2007). Поскольку программа привела к более явных доказательств, критика обратилась к теоретико-решающим сделанные предположения (Lewis 2010, Альберт 2010, Кент 2010, Цена 2010 г.). Вайдман 2012 считает, что для получения Постулат вероятности, по крайней мере, некоторые связь между математическим формализмом квантовой механики и вероятность должна быть постулирована и указывает, что достаточно предположить, что вероятность исхода квантовое измерение зависит только от меры существования соответствующего мира.Таким образом, если все миры, в которых проводился конкретный эксперимент, имеют равные меры существования, то вероятность конкретного результат просто пропорционален количеству миров с этим результат. Меры существования миров, в общем, не равны, но экспериментаторы во всех мирах могут выполнять дополнительные специально адаптированные вспомогательные измерения некоторых переменных, таких что все новые миры будут иметь равные меры существования. В экспериментаторам должны быть совершенно безразличны результаты этих вспомогательные измерения: их единственная цель - разделить миры на «Равновесные» миры.Эта процедура восстанавливает стандартную квантовое правило вероятности из подхода счетных миров; см. Deutsch 1999 и Zurek 2005 для подробностей. Другой вывод основан на Глисон 1957 Теорема о единственности вероятностной меры. Подобные выводы можно получить из анализа частотного оператора возникла у Хартла в 1968 г. Обратите внимание, что многие из этих аргументов можно применить в рамках различные интерпретации квантовой механики, а не только MWI.

Есть и более спекулятивные предложения по проблеме вероятность в MWI.Weissman 1999 имеет предложила модификацию квантовой теории с дополнительным нелинейным декогеренция (и, следовательно, с даже большим количеством миров, чем в стандартном MWI) что может асимптотически вести к мирам равной средней меры для разные исходы. Хэнсон 2003, 2006 предложенная динамика декогеренции, в которой наблюдатели разных миров «калечат» друг друга так, что получено приближенное правило Борна. Ван Везеп 2006 использовал некоторый алгебраический метод для вывода правила вероятности. Буний и др. 2006 использовала идеи декогерентный исторический подход Гелл-Манн и Хартл 1990.

Об этом часто заявляли, например по Де Витт 1970, что MWI в принципе неотличим от идеального теория коллапса. Это не так. Коллапс приводит к эффектам, которых не существует, если MWI является правильная теория. Чтобы наблюдать обрушение, нам понадобится супер технология, которая позволяет «отменить» квантовый эксперимент, включая обращение процесса обнаружения макроскопическим устройств. Видеть Локвуд 1989 (стр. 223), Вайдман 1998 (стр. 257), и другие предложения в Deutsch 1986.Все эти предложения предназначены для мысленных экспериментов, которые не могут быть выполнены с использованием существующих или любых технологий в обозримом будущем. Действительно, в этих экспериментах необходимо вмешательство разных миров. наблюдаться. Миры разные, когда хотя бы один макроскопический объект находится в макроскопически различимых состояниях. Таким образом, необходимо интерференционный эксперимент с макроскопическим телом. Сегодня есть эксперименты по интерференции с более крупными объектами (например, молекулы фуллерена C 70 , см. Brezger et al. 2002), но эти объекты все еще недостаточно велики, чтобы их можно было рассматривать «Макроскопический». Такие эксперименты могут только уточнить ограничения на границе, на которой может произойти обрушение. А Решающий эксперимент должен включать интерференцию состояний, которые отличаются макроскопическим числом степеней свободы: невозможное задача для сегодняшней техники. Однако можно утверждать, что бремя экспериментального доказательства лежит на противниках MWI, потому что именно они утверждают, что существует новая физика за пределами хорошо проверенное уравнение Шредингера.Поскольку анализ Schlosshauerl 2006 показывает, у нас нет таких свидетельство.

MWI ошибочен, если есть физический процесс схлопывания волны функция Вселенной к квантовому состоянию единого мира. Какой-то гениальный были внесены предложения по такому процессу (см. Жемчуг 1986 и запись на теории коллапса). Эти предложения (и Weissman's 1999 идея нелинейной декогеренции) имеют дополнительные наблюдаемые эффекты, такие как крошечные несохранения энергии, которые были протестированы в нескольких эксперименты, e.г. Collett et al. 1995. Эффекты обнаружены не были и некоторые (но не все!) эти модели были исключены, см. Адлер и Басси 2009.

Большая часть экспериментальных свидетельств квантовой механики является статистической. в природе. Гривз и Мирволд 2010 сделали тщательное исследование, показывающее, что наши экспериментальные данные из квантовой эксперименты подтверждают постулат вероятности MWI не менее чем он поддерживает правило Борна в других подходах к квантовой механика. Таким образом, статистический анализ квантовых экспериментов должен не поможет нам в тестировании MWI, но я могу упомянуть спекулятивные космологические аргументы в поддержку MWI Страница 1999, Kragh 2009, Агирре и Тегмарк 2011 г. и Типлер 2012.

Некоторые возражения против MWI вытекают из неправильных интерпретаций из-за множество различных MWI. Терминология MWI может сбивать с толку: «Мир» - это «вселенная» в Deutsch 1996, в то время как «вселенная» - это «мультивселенная». Есть два очень разных подходы с одноименным названием «Многоплановая интерпретация (MMI)». MMI Альберт и Лёвер 1988 упомянутое выше не должно путать с MMI Lockwood et al. 1996 (что напоминает подход Zeh 1981).Далее, MWI в представлении Гейзенберга, Deutsch 2002, существенно отличается от MWI, представленного в Schrödinger представление (используется здесь). Представленный здесь MWI очень близок к Первоначальное предложение Эверетта, но в записи о Формулировка относительного состояния квантовой механики Эверетта, как и в его книге, Барретт 1999, использует название «MWI» для разделения миров просмотр опубликован Де Витт 1970. Такой подход справедливо критиковали: в нем есть как коллапс (необратимое разделение миров на предпочтительную основу) и множество миров.Сейчас я рассмотрю некоторые возражения в деталь.

6.1 Бритва Оккама

Похоже, что большинство противников MWI отвергают его. потому что для них мы представляем очень большое количество миров, не вижу - это крайнее нарушение принципа Оккама: «Не следует умножать сущности сверх необходимости». Однако в Судя по физическим теориям, можно было бы разумно утверждать, что следует не умножать физические законы сверх необходимости (такая версия Бритва Оккама применялась в прошлом), а в этом Уважайте MWI - это самая экономичная теория.Действительно, в нем есть все законы стандартной квантовой теории, но без коллапса постулат, который является наиболее проблематичным из физических законов. MWI также более экономичен, чем бомовская механика, которая, кроме того, онтология траекторий частиц и законы, определяющие их эволюция. Типлер 1986 (стр.208) провел эффективную аналогию с критикой Коперника теория на основе бритвы Оккама.

Можно также рассмотреть возможное философское преимущество множественности миров. в MWI, подобно тому, что утверждают реалисты о возможных мирах, таких как Льюис 1986 (см. обсуждение аналогии между MWI и Lewis's теория Skyrms 1976).Однако аналогия не является полной: теория Льюиса рассматривает все логически возможные миры, гораздо больше, чем все миры, которые включены в квантовом состоянии Вселенной.

6.2 Проблема предпочтительного базиса

Общая критика MWI проистекает из того факта, что формализм квантовой теории позволяет бесконечно много способов разложить квантовое состояние Вселенной в суперпозицию ортогональных состояния. Возникает вопрос: «Почему выбирают именно то разложение? (2) а не какой-нибудь другой? » Поскольку другие разложения могут привести к совсем другая картина, вся конструкция кажется не хватает предсказательная сила.

Местоположение физических взаимодействий определяет предпочтительную основу. Как описано в разделе 3.5, только локализованные состояния макроскопических объекты стабильны. И действительно, благодаря обширным исследованиям декогеренция, проблема предпочтительного базиса не рассматривается как серьезных возражений больше, см. Wallace 2010a. Выделение позиции как предпочтительной переменной для решения проблема предпочтительного базиса может рассматриваться как слабое место, но на с другой стороны, маловероятно, что из математической теории векторов в гильбертовом пространстве можно получить, каким должен быть наш мир.(Так неудивительно, что Schwindt 2012 не смог этого сделать.) Мы должны добавить ингредиенты нашей теории и добавление локальности, свойство всех известные физические взаимодействия, кажется очень естественным. Позиция как предпочтительная переменная не является онтологическим заявлением (поскольку обсуждаемые варианты в следующем разделе), но это помогает построить мост между онтология квантовой механики и наш опыт.

6.3 Волновой функции недостаточно

Как упоминалось выше, разрыв между математическим формализмом MWI, а именно волновая функция Вселенной, и наш опыт больше, чем в других интерпретациях.Это причина, по которой многие подумал, что онтологии волновой функции недостаточно. Белл 1987 (стр.201) считал, что либо волновая функция это еще не все, или это не так. Он искал теорию с местными «библями». Многие следовали за Беллом в поисках «Примитивная онтология» в пространстве-времени 3 + 1, см. Allorri et al. 2014.

Особая причина того, почему волновая функция Вселенной не может быть вся онтология заключается в аргументе, возглавляемом Maudlin 2010, что это неправильный тип объекта.Волновая функция Вселенная определена в трехмерном конфигурационном пространстве, в то время как нам нужна сущность в пространстве-времени 3 + 1 (как примитивная онтология), см. обсуждение Альберта 1996 г., Льюис 2004, Монтон 2006, Ней 2012. Добавление «примитивного онтологии »волновой функции Вселенная помогает нам понять наш опыт, но усложняет математическая часть теории. Это не обязательно. Ожидание значения плотности каждой частицы в пространстве-времени, что является концепцией полученные из волновых функций, соответствующих различным мирам, можно играют роль «примитивной онтологии».Поскольку взаимодействие между частицы локальны в пространстве, это то, что нужно для нахождения причинно-следственные связи, оканчивающиеся на нашем опыте. Плотность частиц не зависит от калибровки, а также правильно преобразуется между различными Наблюдатели Лоренца. Таким образом, объяснение нашего опыта не затрагивается. проблемой «провала нарратируемости» Альберт 2013: описание волновой функции может быть другим для разные наблюдатели Лоренца, но описание в терминах плотности частиц то же самое.Обратите внимание на альтернативный подход, основанный на 3 + 1 пространство-время Уоллеса и Тимпсона 2010, которые, будучи недовольным онтологией волновых функций, ввел Государственный реализм пространства-времени .

6.4 Вывод постулата вероятности

Популярная критика MWI в прошлом, см. Belinfante 1975, который недавно повторил Putnam 2005, основан на наивном выводе вероятность исхода квантового эксперимента как пропорционально количеству миров с таким исходом.Такие вывод приводит к неверным предсказаниям, но принятие идеи вероятность пропорциональна мере существования мира решает эту проблему. Хотя это предполагает добавление постулата, мы не усложняют математическую часть (i) теории, поскольку мы делаем не меняет онтологию, а именно волновую функцию. Это постулат часть (ii), связь с нашим опытом, и это очень естественный постулат: различия в математических описаниях миров проявляются в нашем опыте, см. Сондерс 1998.

Другая критика, связанная с вероятностью, вытекает из утверждения, очевидно сделанный самим Эвереттом, а затем и многими другими сторонниками из MWI, см. De Witt 1970, что Постулат вероятности может быть получен , просто из формализм МВИ. К сожалению, критика этого вывода (что вполне может быть правильным) считается критикой MWI, см. Kent 1990. Недавнее возрождение этого иск, связанный с теорией принятия решений, Deutsch 1999, который также встретил резкую критику (см. раздел 4.4), нарисовал негативная реклама MWI. Возможно, у MWI нет преимущество перед другими интерпретациями, поскольку вывод Это касается правила Борна, но оно также не имеет недостатков, поэтому критика эти основания не обоснованы, см. Папино 2010.

Проблема, названная Уоллесом 2003 г. Проблема вероятности "несогласованности", возможно, является наиболее серьезной трудность. Как говорить о вероятности, когда все возможные исходы случиться? Это привело Сондерса и Уоллеса в 2008a внести неопределенность в MWI.Однако в разделе 4.2 показано, как можно объяснить иллюзию вероятности наблюдателя в мире, а Вселенная, объединяющая все миры, остается детерминированный. Альберт 2010 утверждает, что вероятность, которую я представлю, появляется слишком поздно. Вайдман 2012 отвечает Альберту, просматривая вероятность как значение рациональная ставка на тот или иной результат. Результаты ставок на экспериментатор актуален для его последователей, появившихся после проведение эксперимента в разных мирах. Поскольку экспериментатор связан со всеми его преемниками, и все они имеют одинаковые рациональные стратегии для ставок, то это тоже должна быть стратегия экспериментатора перед экспериментом.

6.5 Социальное поведение верующего в MWI

Есть утверждения, что верующий в MWI будет вести себя в иррациональный способ. Одно утверждение основано на наивном аргументе, описанном в предыдущий раздел: верующий, который приписывает равные вероятности все разные миры сделают равные ставки на результаты квантовых эксперименты с неравными вероятностями.

Еще одна претензия, Льюис 2000, связан со стратегией верующего в MWI, которому предлагается сыграть в квантовую русскую рулетку игру .Аргумент что я, который не приму предложение сыграть классический русский игра в рулетку, должен согласиться играть в рулетку любое количество раз, если запуск происходит в соответствии с результатом квантового эксперимент. Действительно, в конце будет один мир, в котором Лев мультимиллионер и во всех остальных мирах не будет Лев Вайдман жив. Таким образом, в будущем Лев будет богатым и предположительно счастливый человек.

Однако, приняв Постулат вероятности побуждает всех верующих в MWI вести себя в соответствии с Принцип поведения и с этим принципом наши поведение аналогично поведению верующего в крах теория, которая заботится о возможных будущих мирах согласно вероятность их появления.Я не должен соглашаться играть в квантовую Русская рулетка потому что мера существования миров со Львом мертвые будут намного больше, чем мера существования миров с богатым и живым Львом.

Хотя в большинстве ситуаций принцип поведения делает MWI верующий действует обычным образом, бывают ситуации, когда вера в MWI может вызвать изменение социального поведения, Vaidman 1990 (Раздел 16). Если бы я решил заполнить лотерейный билет, я могу несколько раз подбросить монету, чтобы получить случайное число и надеюсь выиграть приз, или я могу разделить мир несколько раз используя Квантовый расщепитель мира так что каждое число будет заполнено Лев Вайдман хотя бы в одном мире нашей Вселенной, поэтому я могу быть уверен что будет Лев Вайдман с большим призом.Выбор, однако это не очевидно, поскольку при выборе квантовой монеты я также убедитесь, что будет много миров, в которых я потерялся. (Альбрехт и Филлипс 2012 утверждают, что даже бросок обычная монета раскалывает мир, поэтому нет необходимости в квантовой разветвитель.)

Причина принятия MWI заключается в том, что он позволяет избежать краха квантовая волна. (Другие теории без коллапса не лучше MWI для различные причины, например, нелокальность бомовской механики; и недостаток всех из них в том, что у них есть дополнительные структура.) Постулат коллапса - это физический закон, который отличается из всей известной физики в двух аспектах: это действительно случайное и предполагает какое-то действие на расстоянии. По обвалу постулируют, что результат квантового эксперимента не определяется начальные условия Вселенной до эксперимента: только вероятности регулируются начальным состоянием. Здесь нет экспериментальные доказательства в пользу коллапса и против MWI. Мы нет нужды предполагать, что Природа играет в кости: наука сильнее объяснительная сила.MWI - это детерминированная теория физического Вселенная, и это объясняет, почему мир кажется недетерминированным для люди-наблюдатели.

MWI позволяет локальное объяснение нашей Вселенной. Самый знаменитый пример нелокальности, приведенный Колокол 1964 в контексте Аргумент Эйнштейна-Подольского-Розена не может сдвинуться с мертвой точки в рамках MWI потому что это требует заранее определенного результата квантового эксперимента, см. обсуждение в Bacciagaluppi 2002.В нашей Вселенной нет действия на расстоянии, но есть запутанность. А «мир» - это нелокальная концепция. Это объясняет, почему мы наблюдаем нелокальные корреляции в определенном мире.

Deutsch 2012 утверждает, что предоставляет альтернативу подтверждение квантовой локальности с использованием квантовой информации фреймворк. Этот подход начался с Дойч и Хайден 2000, анализируя поток квантовая информация с использованием картина Гейзенберга. После обсуждения Рубин 2001 и Deutsch 2002, Хьюитт-Хорсман и Ведрал 2007 проанализировали уникальность физическая картина информационного потока.Timpson 2005 и Уоллес и Тимпсон 2007 допрошены демонстрация местности в этом подходе и значение Заявление о местонахождении было разъяснено в Deutsch 2012. Рубин 2011 предположил, что такой подход может обеспечивают более простой путь к обобщению MWI квантовой механики в MWI теории поля.

MWI разрешает большинство, если не все, парадоксы квантовой механики (например, кошка Шредингера), см. Vaidman 1994. Физический парадокс - это явление, противоречащее нашей интуиции.В законы физики управляют Вселенной, включающей все миры и вот почему, когда мы ограничиваемся одним миром, мы можем бежать в парадокс. Пример: получение информации о регионе из где ни одна частица никогда не приходила, используя без взаимодействия измерение Элицура и Вайдмана 1993. Действительно, в масштабах Вселенной нет парадокса: в частицы других миров были в этой области.

Вайдман 2001 считает полезным подумать о все миры вместе даже при анализе спорного вопроса классическая теория вероятностей, Спящая красавица.Принятие постулата вероятности снижает анализ вероятности к вычислению мер существования различных миров. Заметим, однако, что Квантовая Спящая Красавица также стали предметом горячих споров: Льюис 2007, Папино и Дура-Вила 2009, Брэдли 2011, Уилсон 2014, Шварц 2012, Groisman et al. 2013.

Сильнейших сторонников MWI можно найти среди космологов, например, Aguirre and Tegmark 2011. В квантовой космология MWI позволяет обсуждать всю Вселенную, тем самым избегая трудности стандартной интерпретации, которая требует внешний наблюдатель.Недавно Буссо и Сасскинд 2012 утверждал, что даже соображения в рамках строки теория приводит к MWI.

Еще одно сообщество, в котором многие отдают предпочтение MWI, - это сообщество исследователи квантовой информации. В квантовых вычислениях ключ проблема заключается в том, что параллельная обработка выполняется на одном компьютере; это очень похожа на базовую картину MWI. Недавно полезность MWI для объяснения ускорения квантовой вычисления были поставлены под сомнение: Стейн 2003, Duwell 2007 и Cuffaro 2012.Дело не в том, что квантовые вычисления нельзя понять без структура MWI; скорее, проще думать о квантовой алгоритмы как параллельные вычисления, выполняемые в параллельных мирах, Deutsch and Jozsa 1992. Невозможно использовать все информация, полученная во всех параллельных вычислениях - квантовая компьютерный алгоритм - это метод, в котором результаты всех вычисления мешают, принося желаемый результат. Кластер-государство квантовый компьютер также выполняет параллельные вычисления, хотя это труднее увидеть, как мы получим конечный результат.Критика следует из отождествление вычислительных миров с декогерентными мирами. Квантовый компьютерный процесс не имеет декогеренции и выбирается предпочтительная основа быть вычислительной базой.

Недавние исследования показывают, что некоторые из отцов квантовой механики придерживались взглядов, близких к MWI: Allori et al. 2011 г. сказать это о Шредингере, и Беккер 2004 о фон Неймане. При рождении MWI Уиллер 1957 писал: «Кажется, что из эту формулировку относительного состояния, если кто-то хочет иметь полную математическая модель для квантовой механики... »С тех пор MWI борется против Копенгагенская интерпретация, см. Бирн 2010, набирая легитимность только в последние годы Deutsch 1996, Беверс 2011 г. и Барретт 2011 г. Текущий противоречивый статус MWI можно узнать из очень разные мнения в разговорах о 50-летнем юбилее торжества: Оксфорд 2007, Периметр 2007.

Разбираясь в квантовой механике

Добро пожаловать в исследовательский проект Разбирая смысл квантовой механики , подпроект проекта «Теория всего».

Квантовая механика - краеугольный камень физических теорий, касающихся самых фундаментальных проблем природы. Его принципы кажутся отличными от классических законов природы. Этот исследовательский проект направлен на то, чтобы разобраться в этой сложной области, отдавая предпочтение множеству точек зрения и развивая интуитивные подходы и идеи. Есть надежда, что рассмотрение квантовой механики в такой перспективе может облегчить понимание законов, управляющих элементарными составляющими природы.

Фундаментальные вопросы квантовой механики [редактировать | править источник]

Внесите свой вклад в решение фундаментальной проблемы ниже (в конечном итоге добавив ее), обсудив ее на странице обсуждения и помня о цели этого исследовательского проекта: понимание квантовой механики.Когда он станет достаточно зрелым, добавьте его к урокам в рамке выше.

Каковы первые принципы квантовой механики? [Edit | править источник]

Четыре самых низкоэнергетических состояния вращающейся стрелки, подпрыгивающей в ящике вперед и назад.

Вы можете внести свой вклад или исследовать первые принципы на сайте Principles_of_Quantum_Mechanics.

Итак, у нас есть следующие принципы:

  1. Первый принцип: квантовая система может быть представлена ​​вектором
  2. Второй принцип: ориентация вектора, представляющего квантовую систему, эволюционирует
  3. Третий принцип: кеты превращаются в других кетов с помощью операций, которые раскрывают свойство наблюдения, например: Частица в коробке
  4. Четвертый принцип: в квантовых измерениях результат всегда не определен
  5. Пятый принцип: квантовые вероятности включают сечения взаимодействия наблюдаемых и наблюдаемых частиц

Можно ли вывести настоящие постулаты из этих первых принципов? [Edit | править источник]

Действительно ли элементарные квантовые системы ведут себя иначе, чем макроскопические обычные системы? [Edit | править источник]

Решают ли квантовая механика и классическая механика одни и те же вопросы? [Edit | править источник]

Наименьшее действие в обеих средах [править | править источник]

В классической механике элементарная частица представлена ​​точкой, которая следует по пути наименьшего действия.Классические законы эволюции описывают эволюцию положения точки.

В квантовой механике элементарная частица представлена ​​вектором, наиболее вероятным путем которого является путь наименьшего действия. Законы квантовой эволюции описывают эволюцию ориентации вектора.

В классической механике элементарная частица представлена ​​точкой, которая следует по пути наименьшего действия. В квантовой механике элементарная частица представлена ​​вектором, наиболее вероятным путем которого является путь наименьшего действия.
Равномерное движение в CM и QM [править | править источник]

В классической механике у нас есть первый закон Ньютона: каждое тело продолжает в своем состоянии покоя или равномерного движения по прямой линии, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

Аналогичным квантовым «первым законом» может быть следующее: каждое стреловидное тело продолжает находиться в состоянии покоя или равномерного вращательного движения, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

В классической механике объект без приложенных к нему сил продолжает двигаться с постоянной скоростью. В квантовой механике стрелка без приложенных к ней сил продолжает вращаться с постоянной угловой скоростью.
Фотон [править | править источник]
Электрон [править | править источник]
Трехмерный вид иглы, вращающейся вокруг своей оси симметрии, которая в два раза медленнее вращается вокруг оси z.Угол между осью симметрии и осью прецессии составляет 45 °.
  • … и когда-нибудь вы обнаружите, что в конце концов, это не так ужасно, как кажется. Ричард П. Фейнман, Эпилог Фейнмана в Лекции Фейнмана по физике , Vol. III, 1965.
  • К этому придется приготовиться - не потому, что это трудно понять, а потому, что это абсолютно нелепо: все, что мы делаем, - это рисуем маленькие стрелки на листе бумаги - вот и все! Ричард П.Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter (Princeton Science Library), 1985.
  • Законы движения и квантовые условия выводятся одновременно из одного простого гамильтонова принципа. Шредингер, 1926.

См. Также [править | править источник]

Активные участники [править | править источник]

Активные участники этой учебной группы

История и история квантовых вычислений - Microsoft Quantum

  • 4 минуты на чтение

В этой статье

За последние несколько лет появилось множество новых компьютерных технологий, и квантовые вычисления, возможно, являются технологией, требующей наибольшего изменения парадигмы со стороны разработчиков.Квантовые компьютеры были предложены в 1980-х Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным. Интуиция, лежащая в основе квантовых вычислений, возникла из того, что часто считалось одним из величайших затруднений в физике: замечательный научный прогресс столкнулся с неспособностью моделировать даже простые системы. Видите ли, квантовая механика была разработана между 1900 и 1925 годами и остается краеугольным камнем, на котором в конечном итоге покоятся химия, физика конденсированного состояния и технологии, начиная от компьютерных чипов и заканчивая светодиодным освещением.Однако, несмотря на эти успехи, казалось, что даже некоторые из простейших систем выходят за рамки человеческих возможностей моделирования с помощью квантовой механики. Это потому, что моделирование систем даже из нескольких десятков взаимодействующих частиц требует большей вычислительной мощности, чем любой обычный компьютер может обеспечить за тысячи лет!

Есть много способов понять, почему квантовую механику трудно моделировать. Возможно, проще всего увидеть, что квантовую теорию можно интерпретировать как утверждение, что материя на квантовом уровне находится во множестве возможных конфигураций (известных как состояние ).В отличие от классической теории вероятностей, эти многочисленные конфигурации квантового состояния, которые потенциально можно наблюдать, могут мешать друг другу, как волны в приливном бассейне. Эта интерференция препятствует использованию статистической выборки для получения конфигураций квантовых состояний. Скорее, мы должны отслеживать каждую возможную конфигурацию , в которой может находиться квантовая система, если мы хотим понять квантовую эволюцию.

Рассмотрим систему электронов, в которой электроны могут находиться в любой из, скажем, $ 40 $ позиций.{41} $, что, в свою очередь, потребует более 260 $ ГБ памяти для хранения квантового состояния. В эту игру увеличения количества позиций нельзя играть бесконечно, если мы хотим сохранить состояние условно, поскольку мы быстро превышаем объем памяти самых мощных машин в мире. В нескольких сотнях электронов память, необходимая для хранения системы, превышает количество частиц во Вселенной; таким образом, у наших обычных компьютеров нет никакой надежды когда-либо смоделировать их квантовую динамику.И все же в природе такие системы легко развиваются во времени в соответствии с законами квантовой механики, блаженно не подозревая о невозможности спроектировать и смоделировать их эволюцию с помощью обычных вычислительных мощностей.

Это наблюдение побудило тех, кто на раннем этапе видения квантовых вычислений задал простой, но важный вопрос: можем ли мы превратить эту трудность в возможность? В частности, если квантовую динамику сложно смоделировать, что бы произошло, если бы мы построили оборудование, в котором квантовые эффекты были бы фундаментальными операциями? Можем ли мы смоделировать системы взаимодействующих частиц, используя систему, которая использует точно те же законы, которые управляют ими естественным образом? Сможем ли мы исследовать задачи, которые полностью отсутствуют в природе, но следуют законам квантовой механики или извлекают из них пользу? Эти вопросы привели к возникновению квантовых вычислений.

Основным ядром квантовых вычислений является хранение информации в квантовых состояниях материи и использование операций квантовых вентилей для вычислений на основе этой информации посредством использования и обучения «программированию» квантовой интерференции. Ранний пример программирования вмешательства для решения проблемы, которая, как казалось, является сложной для наших обычных компьютеров, был сделан Питером Шором в 1994 году для проблемы, известной как факторинг. Решение факторинга дает возможность взломать многие из наших криптосистем с открытым ключом, лежащих в основе безопасности электронной коммерции сегодня, включая RSA и криптографию с эллиптическими кривыми.С тех пор были разработаны быстрые и эффективные алгоритмы квантового компьютера для решения многих наших сложных классических задач: моделирования физических систем в химии, физике и материаловедении, поиска в неупорядоченной базе данных, решения систем линейных уравнений и машинного обучения.

Создание квантовой программы для устранения помех может показаться сложной задачей, и хотя это так, многие методы и инструменты, включая наш Microsoft Quantum Development Kit, были представлены, чтобы сделать квантовое программирование и разработку алгоритмов более доступными.Существует несколько базовых стратегий, которые можно использовать для управления квантовой интерференцией таким образом, чтобы это было полезно для вычислений, и в то же время не заставлять решение теряться в клубке квантовых возможностей. Квантовое программирование - это искусство, отличное от классического программирования, требующее очень разных инструментов для понимания и выражения квантового алгоритмического мышления. Действительно, без общих инструментов, помогающих квантовому разработчику в освоении искусства квантового программирования, разработка квантовых алгоритмов не так проста.

Мы представляем Microsoft Quantum Development Kit, чтобы предоставить растущему сообществу инструменты, позволяющие совершить квантовую революцию для их задач, проблем и решений. Наш язык программирования высокого уровня Q # был разработан для решения задач квантовой обработки информации; он интегрирован в программный стек, который позволяет скомпилировать квантовый алгоритм до примитивных операций квантового компьютера. Прежде чем перейти к языку программирования, полезно рассмотреть основные принципы, на которых основаны квантовые вычисления.Мы будем считать фундаментальные правила квантовых вычислений аксиомами, а не детализировать их основы в квантовой механике. Кроме того, мы предполагаем базовое знакомство с линейной алгеброй (векторами, матрицами и т. Д.). Если требуется более глубокое изучение истории и принципов квантовых вычислений, мы отсылаем вас к справочному разделу, содержащему дополнительную информацию.

Объяснение квантовых вычислений и квантового превосходства

Поиск Закрыть Меню Закрыть Проводная Великобритания Перейти к основному содержанию Поиск
  • Технологии
  • Наука
  • Культура
  • Шестерни
  • Бизнес
  • Политика
  • Больше
    • Безопасность
    • Транспорт
    • События
    • Вакансии
    • Консультации
    • видео
    • Подкасты
    • Журнал
    • Запасные
.