Квантовая механика простыми словами – Квантовая механика для чайников. Что такое квант, уравнение Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга

Квантовая физика для чайников. Квантовая механика

Добро пожаловать на блог! Я очень рада Вам!

Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация.

Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:

И еще: Вам интересно узнать о чисто прикладном, практическом применении квантовой физики? Тогда читайте статью 

Что такое квантовый компьютер и для чего он нужен? Просто о сложном.

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ:

Что такое квантовая физика и квантовая механика?

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров: в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой — шар. Но в микромире (если вместо шара — атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве. В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком»  .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (

фотон, Википедия) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия), надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

Кстати, статью можно читать, как сказку, вместе с детьми. Они ещё не утратили наивную чистоту восприятия окружающего мира и часто могут понять физику, особенно квантовую, лучше взрослых.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной.

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися  контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если  ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то

они одновременно и волны, и частицы

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон  летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Что такое спин и суперпозиция?

Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).

В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?

Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две  щели одновременно? Есть 2 варианта.

• 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
• 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)

В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.

Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто

Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:

Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.

Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.

Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно

То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно. Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то  конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики. Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Это и называется «коллапсом волновой функции». Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения  — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

Алёна Краева

P.S.1 Если Вам понравилась статья Квантовая физика для чайников, поделитесь ею.

P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. 

alenakraeva.com

Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика простыми словами

Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас.  Я постараюсь объяснить,  что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.
 

 
«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

 

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно  квантовую физику очень сложно понять из-за того, что  она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

 

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже  любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также  волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте  его рассмотрим.

 

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя  щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами.  Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются  волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.
 

 
Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать  мелкие камни, они, пролетая  сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

 

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

 

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

 

 
Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он  проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно,  нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет  с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда  электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет  сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.

«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

 

Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.

Но  если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.
 
Мультфильм про квантовую физику:
 

 
Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.
 
Видео о квантовой физике:
 

 
И как вы раньше об этом не знали.
 

Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.

 

zslife.ru

Квантовая механика для всех, даром, и пусть никто не уйдёт обиженным: часть первая / Habr

Здравствуйте! Я хотел бы представить вашему вниманию отличное введение в квантовую механику, написанное Элиезером Юдковским; быть может, он известен вам по своему сайту lesswrong.com, посвящённому рационализму, предрассудкам, когнитивным парадоксам и ещё многим интересным вещам.

читать вторую часть →
Предупреждаю сразу: этот цикл статей заметно отличается от традиционного введения в квантовую механику.

Во-первых, я не буду цитировать Ричарда Фейнмана, однажды заявившего, что «это нормально — не понимать квантовую механику, потому что никто её не понимает». Когда-то это было так, но времена меняются.

Я не скажу: «Квантовую механику невозможно понять, к ней просто нужно привыкнуть». (Эту цитату приписывают Джону фон Нейману; он жил в те дремучие времена, когда никто и в самом деле не понимал квантовую механику.)

Нельзя заканчивать объяснение словами «Если что-то непонятно, так и должно быть». Нет, так не должно быть. Может, проблема в вас. Может — в вашем учителе. В любом случае, её надо решать, а не сидеть сложа руки и успокаивать себя тем, что все остальные тоже ничего не понимают.

Я не буду говорить, что квантовая механика — это нечто странное, запутанное или недоступное для человеческого понимания. Да, она контринтуитивна — но это беда исключительно нашей интуиции. Квантовая механика возникла задолго до Солнца, планеты Земля или человеческой цивилизации. Она не собирается меняться ради вас. Вообще, не существует обескураживающих фактов, есть только теории, обескураженные фактами; а если теория не совпадает с практикой, это не делает ей чести.

Всегда стоит рассматривать реальность как совершенно обыденную вещь. С начала времён во Вселенной не случилось ничего необычного.

Наша цель — научиться чувствовать себя как дома в этом квантовом мире. Потому что мы и так дома.

На протяжении всего этого цикла я буду говорить о квантовой механике как о самой обычной теории; а там, где интуитивное представление о мире не совпадает с ней, я буду высмеивать интуицию за несоответствие реальности.

Во-вторых, я не собираюсь следовать традиционному порядку изучения квантовой механики, копирующему порядок, в котором её открывали.

Обычно всё начинается с рассказа о том, что материя иногда ведёт себя как кучка маленьких бильярдных шаров, сталкивающихся между собой, а иногда — как волны на поверхности бассейна. Это сопровождается несколькими примерами, иллюстирующими оба взгляда на материю.

Раньше, когда всё это только зарождалось и никто не имел ни малейшего понятия о математических основах физики, учёные всерьёз считали, что всё состоит из атомов, ведущих себя примерно как бильярдные шары. А потом они стали считать, что всё состоит из волн. А потом они опять вернулись к бильярдным шарам. Всё это привело к тому, что учёные окончательно запутались, и только через несколько десятилетий — к концу девятнадцатого века — им удалось расставить всё по своим местам.

Если применить этот исторический достоверный подход к обучению современных студентов (как сейчас и поступают), с ними закономерно случится то же, что случилось с ранними учёными, а именно — они впадут в полное и абсолютное замешательство. Рассказывать студентам, изучающим физику, о корпускулярно-волновом дуализме, это то же самое, что начинать курс химии лекцией о четырёх стихиях.

Электрон не похож ни на бильярдный шар, ни на гребень океанской волны. Электрон — это совершенно другой объект с математической точки зрения, и он остаётся таким при любых обстоятельствах. А если вы будете упорствовать в своём стремлении считать его и тем, и тем, как вам удобнее, предупреждаю: за двумя зайцами погонишься — ни одного не поймаешь.

Это не единственная причина, по которой исторический порядок — не лучший выбор. Давайте проследим за гипотетическим процессом с самого начала: люди замечают, что они окружены другими животными — внутри животных, оказывается, есть органы — а органы, если присмотреться внимательнее, состоят из тканей — под микроскопом видно, что ткани состоят из клеток — клетки состоят из протеинов и прочих химических соединений — химические соединения состоят из атомов — атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов — а последние гораздо проще и понятнее животных, с которых всё началось, но были открыты на десятки тысяч лет позже.

Физику не начинают проходить с биологии. Тогда почему её нужно начинать с обсуждения лабораторных экспериментов и их результатов, которые даже в случае простейших опытов являются следствием множества сложных и запутанных процессов?

С одной стороны, я могу понять, почему во главу угла ставится эксперимент. Мы же о физике говорим, в конце концов.

С другой стороны, давать студентам в руки сложный математический аппарат только для того, чтобы они могли проанализировать простой опыт — это уже чересчур. Программистов, например, сначала учат складывать две переменные, а только потом — писать многопоточные приложения; и плевать на то, что вторые «ближе к реальной жизни».

Классическая механика не следует явным образом из квантовой механики. Более того, классическая механика находится на гораздо более высоком уровне. Сравните атомы и молекулы с кварками: миллионы известных науке химических веществ, сотня химических элементов, и всего шесть кварков. Сначала лучше понять простое, а только потом переходить к сложному.

Наконец, я буду рассматривать квантовую механику со строго реалистической позиции — наш мир является квантовым, наши уравнения описывают территорию, а не её карту, и привычный нам мир неявным образом существует в квантовом мире. Если среди моих читателей есть антиреалисты — пожалуйста, придержите свои комментарии. Квантовую механику гораздо труднее понять и представить, если сомневаешься в её справедливости. Я поговорю об этом подробнее в одной из следующих статей.

Я думаю, что той точки зрения, которую я буду излагать в этом введении, придерживается большинство физиков-теоретиков. Но вы всё же должны знать, что это не единственная возможная точка зрения, и немалая доля учёных сомневается в верности реалистической позиции. Хоть я и не собираюсь уделять внимание каким-либо другим теориям прямо сейчас, я чувствую себя обязанным упомянуть о том, что они есть.

Подводя итог, моя цель — научить вас думать как коренной житель квантового мира, а не как турист поневоле.

Покрепче вцепитесь в реальность. Мы начинаем.

Посмотрите на рис. 1. В точке A находится полупосеребрённое зеркало, а в точках B и C — два детектора фотонов.

Этот простой эксперимент в своё время заставил учёных поломать головы. Дело в том, что в половине случаев фотон, выпущенный в сторону зеркала, регистрировался первым детектором, а в половине — на вторым. И учёные — внимание, приготовьтесь смеяться — предполагали, что зеркало то пропускало фотон, то отражало его.

Ха-ха-ха, представьте себе зеркало, которое может само выбирать, пропускать ему фотон или не пропускать! Если вы и можете это представить, то все равно не делайте этого — а не то вы запутаетесь так же, как и те учёные. Зеркало ведёт себя абсолютно одинаково в обоих случаях.

Если бы мы попробовали написать компьютерную программу, симулирующую этот эксперимент (а не просто предсказывающую результат), она бы выглядела примерно так…

В начале программы мы объявляем переменную, хранящую в себе определённый математический объект — конфигурацию. Она представляет некое описание состояния мира — в данном случае, «один фотон летит в точку А».

На самом деле конфигурация описывается комплексным числом (напомню, что комплексные числа имеют вид (a + bi), где a и b — действительные числа, а i — мнимая единица, т.е. такое число, что i² = -1). Нашей конфигурации «фотон летит в точку A» тоже соответствует какое-то число. Пусть это будет (-1 + 0i). В дальнейшем мы будем называть число, соответствующее конфигурации, её амплитудой.

Введём ещё две конфигурации: «фотон летит из A в точку B» и «фотон летит из A в точку C». Мы пока не знаем амплитуды этих конфигураций; им будут присвоены значения в ходе выполнения программы.

Посчитать амплитуды можно, применив правило, по которому работает зеркало, к начальной конфигурации. Не вдаваясь в подробности, можно считать, что правило выглядит так: «умножить на 1, когда фотон пролетает; умножить на i, когда фотон отражается». Применим правило: амплитуда конфигурации «фотон летит в B» равняется (-1 + 0i) × i = (0 + —i), а амплитуда конфигурации «фотон летит в C» равняется (-1 + 0i) × 1 = (-1 + 0i). Других конфигураций на рис. 1 нету, так что мы закончили.

В принципе, можно считать «первый детектор регистрирует фотон» и «второй детектор регистрирует фотон» отдельными конфигурациями, но это ничего не меняет; их амплитуды будут равны амплитудам двух предыдущих конфигураций соответственно. (На самом деле их ещё надо домножить на множитель, равный расстоянию от A до детекторов, но мы просто предположим, что все расстояния в нашем эксперименте являются множителями единицы.)

Итак, вот конечное состояние программы:

• «фотон летит в A»: (-1 + 0i)
• «фотон летит из A в B»: (0 + —i)
• «фотон летит из A в C»: (-1 + 0i)

И, возможно:

• «сработал первый детектор»: (0 + —i)
• «сработал второй детектор»: (-1 + 0i)

Разумеется, сколько бы раз мы ни запускали программу, конечное состояние останется таким же.
Теперь, по довольно сложным причинам, в которые я пока не буду вдаваться, не существует простого способа измерить амплитуду конфигурации. Состояние программы скрыто от нас.

Что же делать?

Хоть мы и не можем измерить амплитуду непосредственно, кое-что у нас есть — а именно, волшебная измерительная штуковина, которая может сообщить нам квадрат модуля амплитуды конфигурации. Другими словами, для амплитуды (a + bi) штуковина ответит числом (a² + b²).

Точнее было бы сказать, что волшебная штуковина находит всего лишь отношение квадратов модулей друг к другу. Но даже этой информации оказывается достаточно, чтобы понять, что происходит внутри программы и по каким законам она работает.

С помощью штуковины мы можем легко узнать, что квадраты модулей конфигураций «сработал первый детектор» и «сработал второй детектор» равны. А проведя некоторые более сложные эксперименты, мы сможем также узнать отношение самих амплитуд — i к 1.

Кстати, а что это за волшебная измерительная штуковина такая?

Ну, когда такие эксперименты проводят в реальной жизни, в качестве волшебной штуковины служит то, что эксперимент проводят пару тысяч раз и просто считают, сколько раз фотон оказался в первом детекторе, а сколько — во втором. Отношение этих значений и будет отношением квадратов модулей амплитуд. Почему это будет так — вопрос другой, гораздо более сложный. А пока можно пользоваться штуковиной и без понимания того, как да почему она работает. Всему своё время.

Вы можете спросить: «А зачем вообще нужна квантовая теория, если её предсказания совпадают с предсказаниями „бильярдной” теории?» Есть две причины. Во-первых, реальность, что бы вы там ни думали, всё-таки подчиняется квантовым законам — амплитуды, комплексные числа и всё такое. А во-вторых, «бильярдная» теория не работает для любого мало-мальски сложного эксперимента. Хотите пример? Пожалуйста.

На рис. 2 вы можете видеть два зеркала в точках B и C, и два полу-зеркала в точках A и D. Позже я объясню, почему отрезок DE проведён пунктиром; на расчётах это никак не скажется.

Давайте применим правила, которые мы уже знаем.

В начале у нас есть конфигурация «фотон летит в A», её амплитуда — (-1 + 0i).

Считаем амплитуды конфигураций «фотон летит из A в B» и «фотон летит из A в C»:

• «фотон летит из A в B» = i × «фотон летит в A» = (0 + —i)
• «фотон летит из A в C» = 1 × «фотон летит в A» = (-1 + 0i)

Интуитивно ясно, что обычное зеркало ведёт себя как половина полу-зеркала: всегда отражает фотон, всегда умножает амплитуду на i. Итак:

• «фотон летит из B в D» = i × «фотон летит из A в B» = (1 + 0i)
• «фотон летит из C в D» = i × «фотон летит из A в C» = (0 + —i)

Важно понять, что «из B в D» и «из C в D» — это две разные конфигурации. Нельзя просто написать «фотон летит в D», потому что от угла, под которым этот фотон приходит в D, зависит то, что с ним случится дальше.

Считаем дальше:

• амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D», равная (1 + 0i):
  
  • умножается на i, и результат (0 + i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»
  • умножается на 1, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
• амплитуда конфигурации «фотон летит из C в D», равная (0 + —i):
  
  • умножается на i, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
  • умножается на 1, и результат (0 + —i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»

Итого:

• «фотон летит из D в E» = (0 + i) + (0 + —i) = (0 + 0i) = 0
• «фотон летит из D в F» = (1 + 0i) + (1 + 0i) = (2 + 0i)

Отношение квадратов модулей амплитуд — 0 к 4; из расчётов следует, что первый детектор вообще не будет срабатывать! Поэтому-то отрезок DE и был проведён пунктиром на рис. 2.

Если бы полу-зеркала отражали или пропускали фотон случайным образом, оба детектора реагировали бы примерно с одинаковой частотой. Но это не совпадает с результатами экспериментов. Вот и всё.
Вы могли бы возразить: «А вот и не всё! Предположим, например, что когда зеркало отражает фотон, с ним происходит что-то такое, что второй раз он уже не отразится? И, наоборот, когда зеркало пропускает фотон, в следующий раз ему придётся отразиться.»

Во-первых, бритва Оккама. Не стоит выдумывать сложное объяснение, если уже существует простое (если, конечно, считать квантовую механику простой…) А во-вторых, я могу придумать другой опыт, который опровергнет и эту альтернативную теорию.

Поместим маленький непрозрачный объект между B и D, чтобы амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D» всегда равнялась нулю.

Теперь амплитуда конфигурации «фотон летит из D в F» равна (1 + 0i), а амплитуда конфигурации «фотон летит из D в E» — (0 + —i). Квадраты модулей равны 1. Это значит, что в половине случаев будет срабатывать первый детектор, а в половине — второй.

Это невозможно объяснить, если считать, что фотон — это маленький бильярдный шарик, который отражается от зеркал.

Дело в том, что об амплитуде нельзя думать, как о вероятности. В теории вероятностей, если событие X может произойти или не произойти, то вероятность события Z равна P(Z|X)P(X) + P(Z|¬X)P(¬X), где все вероятности положительны. Если вы знаете, что вероятность Z при условии, что X случилось, равна 0.5, а вероятность X — 0.3, то полная вероятность Z по меньшей мере 0.15, независимо от того, что произойдёт, если X не случится. Не бывает отрицательных вероятностей. Возможные и невозможные события не могут аннулировать друг друга. А амплитуды — могут.

Вот пример неправильного мышления: «Фотон летит в B или в C, но он мог полететь по-другому, и это влияет на вероятность того, что он полетит в E…»

События, которые не случились, не имеют никакого влияния на мир. Единственное, что может повлиять на мир — это наше воображение. «О боже, эта машина чуть не сбила меня», думаете вы, и решаете уйти в монастырь, чтобы больше никогда не встречаться с опасными машинами. Но реально по-прежнему не само событие, а лишь ваше воображение, содержащееся в вашем мозгу — который можно из вас достать, пощупать и положить назад, чтобы убедиться, что он вполне реален.

Реально всё, что влияет на мир. (Если вы полагаете, что это не так, попробуйте дать определение слову «реальный».) Конфигурации и амплитуды непосредственно влияют на мир, так что они тоже реальны. Сказать, что конфигурация — это «то, что могло случиться», так же странно, как сказать, что стул — это «то, что могло случиться».

А что это тогда — конфигурация?

Продолжение следует.

---

На самом деле всё немного сложнее, чем вам могло показаться после прочтения этой статьи.
Каждая конфигурация описывает все частицы во Вселенной. Амплитуда — это непрерывное распределение по всему пространству конфигураций, а не дискретное, как мы рассматривали сегодня. И в самом деле, фотоны же не телепортируются из одного места в другое мгновенно, а каждое различное состояние мира описывается новой конфигурацией. В конце концов мы и до этого доберёмся.

Если вы ничего не поняли из этого абзаца, не беспокойтесь, я всё объясню. Потом.

---

читать вторую часть →

Автор: Eliezer Yudkowsky. Вольный и сокращённый (совсем чуть-чуть) перевод: я. Ссылки на оригиналы: lesswrong.com/lw/pc/quantum_explanations, lesswrong.com/lw/pd/configurations_and_amplitude.

habr.com

Квантовый Парадокс. Три парадокса квантовой механики.

Квантовый Парадокс. Три парадокса квантовой механики.

Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, открытиях ньютона и известных спорах в области квантовой механики.

В истории развития квантовой механики было много попыток опровергнуть какие-либо из ее положений. Парадоксы возникают, когда зарождается новая область знаний. Они полезны, потому что попытки их конструктивного и содержательного объяснения углубляют понимание предмета

. Однако большая часть парадоксов может быть объяснена при детальном рассмотрении и строгом математическом описании.

Парадокс зенона.

Зенон был автором нескольких апорий — рассуждений, которые, на первый взгляд, кажутся логичными, но противоречат здравому смыслу. Наиболее известным парадоксом его авторства является «Ахиллес и Черепаха»: Ахиллес пытается догнать черепаху, но ему это не удается, если черепаха начала движение раньше него. Зенон объясняет это следующим образом: изначально между Ахиллесом и черепахой есть расстояние, и к тому моменту, как Ахиллес достиг положения черепахи, она уже сместилась из этой точки. Когда он пришел в следующее положение черепахи, она еще дальше сместилась, и так до бесконечности.

В рамках заданных положений парадокс объясняется так: у бесконечной суммы может быть конечный результат суммирования. Например, если мы добавляем к единице одну вторую, одну четвертую, одну шестнадцатую и так далее, то результатом суммы является конечная величина. В случае с этой апорией Зенона именно так и происходит. Однако этот факт стал понятен только со времен ньютона, когда было сформулировано исчисление бесконечно малых величин, и, благодаря ему, мы понимаем, что расстояние между Ахиллесом и черепахой не может оставаться отличным от нуля.
Другая известная апория звучит следующим образом: летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она покоится, а поскольку она покоится в каждый момент, то покоится она всегда. Мысль Зенона заключается в том, что состояние стрелы должно характеризоваться только своим положением в пространстве.
Разрешение второго парадокса появилось тоже после формулировки ньютоновой механики — стало понятно, что движение тел описывается дифференциальными уравнениями второго порядка, а именно: второй закон ньютона говорит о том, что масса, умноженная на ускорение, равна силе. Ускорение — это скорость изменения скорости, это вторая производная от меняющегося во времени положения частицы. Следовательно, состояние стрелы характеризуется не только ее положением, но и скоростью в данный момент времени. Скорость определяет то, куда стрела сместится в следующий момент времени.

Парадокс эйнштейна — подольского — Розена.

Одной из наиболее мистических концепций квантовой механики является ее вероятностная интерпретация — с ней спорили многие ученые. В частности, Эйнштейн вместе с подольским и Розеном описали эксперимент, который выявляет, с их точки зрения, логическое противоречие в этой интерпретации. Существует много разных формулировок парадокса Эйнштейна — подольского — Розена, но суть их всех одна и та же. Я расскажу об одной из стандартных формулировок, которая, однако, принадлежит не самим Эйнштейну, подольскому и Розену.

Представим систему из двух фотонов, общая поляризация которых равна нулю, при этом оба фотона по отдельности не имеют определенной поляризации. Законы квантовой механики гласят, что в этом случае замкнутая система двух фотонов характеризуется волновой функцией, но при этом состояние каждого из фотонов по отдельности характеризуется не волновой функцией, а матрицей плотности. Говорят, что система двух фотонов описывается чистым состоянием, а каждый из фотонов по отдельности — смешанным.
Итак, фотоны отдалились друг от друга: к примеру, один из них улетел в Лондон, а второй — во Владивосток. Представим, что в Лондоне кто-то произвел измерение поляризации первого фотона. Тогда, в соответствии с законами квантовой механики, состояние первого фотона изменилось — произошла редукция его состояния. Из смешанного состояния он в чистое перешел. Например, с какой-то вероятностью он мог оказаться поляризованным в вертикальной плоскости.
Парадокс заключается в том, что в тот же самый момент, когда первый фотон в Лондоне перешел в чистое состояние, второй фотон во Владивостоке также изменил свое состояние — перешел из смешанного в чистое состояние, ровно с противоположной поляризацией. Это противоречит здравому смыслу, так как означает, что можно на расстоянии воздействовать на состояние второго фотона, тем самым нарушая принцип причинности.
Это наблюдение звучит еще более парадоксально, если учесть, что если в какой-то инерциальной системе отсчета два события одновременны, то обязательно есть инерциальная система отсчета, в которой второе событие происходит раньше первого. То есть редукция состояния фотона во Владивостоке в новой системе отсчета произойдет даже раньше того, как состояние первого фотона в Лондоне будет измерено.

Очень важно подчеркнуть, что эта ситуация отличается от эксперимента с черным и белым шарами, с которым ее часто сравнивают из-за недопонимания. В случае с шарами происходило бы следующее: два шара черного и белого цвета закрыты в коробке, и если разделить коробку пополам так, что в каждой части оказывается по шару, и отвезти одну во Владивосток, а другую в Лондон, то, открыв одну из них, мы сразу понимаем, какой шар во второй. В данном случае не было воздействия на второй шар, так как он с момента разделения коробки пополам имел определенный цвет. Ситуация с фотонами, как должно быть ясно из рассказа, совершенно другая.
Для меня полное разрешение этого парадокса все еще остается загадкой, но следует подчеркнуть, что никакого нарушения причинности в обсуждаемой ситуации не происходит именно из-за вероятностной природы квантовой механики. Дело в том, что, измеряя состояние первого фотона, мы не можем заставить его иметь ту поляризацию, которую нам захочется. В результате нашего измерения в Лондоне фотон может оказаться поляризованным тем или иным образом с какой-то вероятностью, а того, как он окажется поляризованным, мы не можем знать заранее. Соответственно, второй фотон окажется противоположно поляризованным с той же вероятностью. Поэтому для человека, наблюдающего за вторым фотоном во Владивостоке, его переход в чистое состояние с определенной поляризацией не будет являться передачей какого-то сообщения из Лондона. Однако станет ясно, что состояние первого фотона было измерено и система разомкнулась.
Парадокс кота Шредингера.

Шредингер также спорил с вероятностной интерпретацией квантовой механики и в спорах на этот счет придумал следующий мысленный эксперимент: есть коробка, в которую помещены кот и специальный прибор, содержащий небольшое количество радиоактивного вещества, так что в течение часа с какой-то вероятностью может произойти распад одного из атомов этого вещества. Только в том случае, если распад происходит, срабатывает триггер, который запускает ток, разбивающий колбу с ядом, и яд убивает кота. Лишь в том случае, если распада не происходит, кот остается жив.
Парадокс заключается в следующем: квантовая механика утверждает, что до того, как произошло измерение, вы не знаете, распался атом или нет. Соответственно, и атом, и кот пребывают в смешанном состоянии, как пара фотонов в парадоксе Эйнштейна — подольского — Розена. Точнее, если законы квантовой механики распространить на кота, то кот вместе с прибором и атомом составляют замкнутую систему, которая находится в чистом состоянии. При этом каждая из подсистем этой замкнутой системы характеризуется смешанным состоянием. Но что такое смешанное состояние для кота, когда он не жив и не мертв?

Фактически парадокс Шредингера в случае существования смешанного состояния кота показывал бы отсутствие параметра, по которому происходит переход от маленькой квантовой системы (коей является атом) к большой классической (такой как кот. Тем не менее такой параметр есть. Любая система — и классическая, и квантовая — характеризуется действием, и у маленькой квантовой системы действие и его градиенты сравнимы с постоянной планка. Для большой классической системы и действие, и его градиенты намного больше этой постоянной. Например, камень (или луна) летит по определенной траектории не потому, что мы его постоянно измеряем, а потому, что коллективное движение составляющих его частиц описывается действием, градиенты которого и в пространстве, и во времени огромны по сравнению с постоянной планка.
Итак, обсуждаемый парадокс можно решить, если вспомнить, что такое измерение в квантовой механике. Измерение — это воздействие большой классической системы (прибора) на маленькую квантовую (частицу. В данном случае кот и прибор, вместе взятые (да и по отдельности), являются большой классической системой, и измерение состояния радиоактивного атома происходит не в момент раскрытия коробки с котом, а в момент взаимодействия этой системы с частицей, которая с какой-то вероятностью распадется или не распадается. Следовательно, кот умрет или выживет еще до того, как откроется коробка.

Парадоксы квантовой механики. «Парадоксы» квантовой механики

Теперь рассмотрим «парадоксы», лежащие в основе споров между «копенгагенской» и «антикопенгагенский» парадигмами и составляющие ядро философских проблем квантовой механики. Эти парадоксы концентрируются вокруг темы измерения в квантовой механике. Анализируя проблемы, возникающие в связи с процедурами измерения, известный физик В. Гайтлер, следуя положениям «копенгагенской» интерпретации, приходит к заключению, что «появляется наблюдатель как необходимая часть всей структуры, причем наблюдатель со всей полнотой своих возможностей сознательного существа» . Гайтлер утверждает, что в связи с возникновением квантовой механики «нельзя более поддерживать разделение мира на “объективную реальность вне нас” и “нас”, сознающих себя сторонних наблюдателей». Субъект и объект становятся неотделимы друг от друга. «Мы должны быть благодарны Гайтлеру, – говорит К. Поппер, – за то, что он дает самую, по-видимому, четкую формулировку доктрины включения субъекта в физический объект, доктрина, которая в той или иной форме присутствует у Гейзенберга в “физических принципах квантовой теории” и во многих других (в частности, у фон Неймана. – А. Л. ) » .

Парадокс наблюдателя в квантовой физике. Пять парадоксов квантовой физики или как наблюдатель формирует систему

1. Пустота: Если увеличить ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находится на расстоянии 30 километров, а между ними — ничего!
2. Волночастица: Состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и ненаблюдаемый электрон ведет себя как волна (поле вероятностей). Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он схлопывается в частицу (твердый объект, чье положение можно локализировать).
3. Квантовый скачок. Уходя со своей орбиты атомного ядра электрон движется не так, как обычные объекты, — он передвигается мгновенно. Т.е. он исчезает с одной орбиты и появляется на другой. Точно определить где возникнет электрон или когда он совершит скачок невозможно, максимум что можно сделать, это обозначить вероятность нового местоположения электрона.
4. Принцип неопределенности Гейзенберга. Невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредотачиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределенным становится другой.
5. Теорема Белла. Все на свете нелокально, элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства. Т.е.: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже _мгновенно_ изменится, чтобы прийти в такое же состояние.
— Вопрос в тему: как вы думаете, из чего сделаны наши мысли?
Эксперимент с Генератором Случайных Событий (ГСС)
Один эксперимент со случайными числами проводили за последние четыре десятилетия сотни раз. В нем используется генератор, создающий случайный поток битов (нулей и единиц), как если бы мы бросали монетку. Есть кнопка, при нажатии которой ГСС продуцирует две сотни бит.
Какого-нибудь человека сажают нажимать эту кнопку и просят попытаться сделать так, чтобы машина выдавала больше единиц, чем нулей. Существуют отчеты о сотнях экспериментов, когда эти попытки дают результат. Анализ того, что это не случайно (т.е. что ГСС не случайно выдают результаты, соответствующие намерению экспериментатора) — пятьдесят тысяч против одного.
Цитаты из книги «Что мы вообще знаем»,
Уильям Арнц, Бетси Чейс, Марк Висенте.

Популярная квантовая механика. Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физики

В квантовом мире, в мире с очень малой размерностью, размерами – все не так, как в современном макромире. И этот мир элементарных частиц придумали сами ученые. Ввели постулаты, ограничения и закону, по которым этот мир существует. Может быть, пока человек не способен понять этот мир? А не способен по причине того, что научные изыскания, модели, теории завели в некий тупик (или ложный путь)?
Многое то, что детектируют приборы необъяснимо с точки зрения логики простого обывателя. Например, корпускулярно-волновой дуализм, когда частицы могут быть и волной и частицей в зависимости от условий опыта или даже от простого факта наблюдения за этим опытом стороннего наблюдателя. Да, наблюдатель может даже влиять на исход опыта и на то, как поведут себя частицы.
Опыт Юнга — эксперимент, проведённый Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света. Результаты эксперимента были опубликованы в 1803 году.
Я не буду нагромождать пост заумными формулами и текстами, постараюсь показать некоторое как можно проще.
На заре изучения квантового мира были введены постулаты, т.к. по всем классическим законам механики, частицы микромира не должны себя так вести. Самые известные постулаты (школьный курс) – постулаты Бора :
Противоречия с классической физикой
Здесь немного подробнее поставлены и другие эти вопросы:
Один из них: почему заряды электрона и протона равны (по величине), но масса электрона в 1836 раз меньше массы протона?
Может быть, мы чего-то не знаем, если такое происходит?
Принцип неопределенности Гейзенберга:
Если вкратце:
Есть постулаты и в Специальной теории относительности:
Т.е. для того, чтобы физикам хоть что-то объяснить в квантовом мире, пришлось ввести эти допущения, запреты и «мы так решили». Иначе понятно, что там ничего не понятно. Не объясняя, почему именно так – ученые ввели свои запреты и правила, законы по которым должен существовать микромир.
Вот еще один «закон» физики света:
Дифракция света – огибание волной преграды
Вопрос: почему при солнечных затмениях мы видим на поверхности земли темное пятно, тень от Луны? По законам физики, свет должен огибать препятствие-Луну и мы должны видеть не прохождение пятна, а дифракционные кольца от Луны.
Все это можно объяснить, если принять одно допущение – если мир анизотропен, т.е. законы физики и иных земных наук не равны для всех размерностей и участков Вселенной. Вблизи земли они – одни, у Солнца – иные, в микромире – третьи:
Если это не так, то уже давно пора вернуться к моделям эфира и начать с этих канонов. Иначе, все эти постулаты заведут нас в еще больший тупик.

Квантовая механика. Значение квантовой механики

Квантовая механика имеет важное значение для понимания поведения систем в атомных и меньших масштабах расстояний. Если бы физическая природа атома описывалась исключительно классической механикой, то электроны не должны были вращаться вокруг ядра, так как орбитальные электроны должны испускать излучение (вследствие кругового движения) и в конечном итоге сталкиваться с ядром из-за потери энергии на излучение. Такая система не могла объяснить устойчивость атомов. Вместо этого электроны находятся в неопределенных, недетерминистических, размазанных, вероятностных корпускулярно-волновых орбиталях около ядра, вопреки традиционным представлениям классической механики и электромагнетизма.

Первоначально квантовая механика была разработана для лучшего объяснения и описания атома, особенно различий в спектрах света, излучаемых различными изотопами одного и того же химического элемента, а также описания субатомных частиц. Короче говоря, квантово-механическая модель атома оказалась поразительно успешной в той области, где классическая механика и электромагнетизм оказались беспомощны.

Видео Квантовый парадокс

Парадоксы физики. Парадокс — это… Парадоксы физики. Теория парадоксов

Начиная с времён древности, человек пытался понять окружающий мир и своё место в нем. Используя логическое мышление, пытливый ум человеческого существа пытался найти суть и взаимосвязь происходящих событий и явлений. Современное знание человечества — это результат почти десяти тысячелетий кропотливого анализа всего того, с чем сталкивался исследователь окружающего мира.

Что такое парадокс?

Со временем открывались знания, предоставляющие более полное понимание проистекающих событий или явлений. Однако, несмотря на это, существуют исключения, когда что-то происходит, но не находит логического объяснения. В современном мире подобное явление наука относит к парадоксам. В переводе с греческого языка «парадокс» (παράδοξος) — это неожиданный, странный.

Это определение возникло достаточно давно, на заре развития нашей цивилизации. Современная наука говорит о том, что парадокс — это ситуация или событие, для которых характерно чёткое проявление в реальности и полное отсутствие какого-либо логического пояснения полученных результатов.

Возникшие парадоксы всегда будоражили и интриговали ум человека своими противоречиями и неясностью. Несмотря на отсутствие пояснения, человек пытается найти и решить возникшую перед ним задачу. Со временем некоторые парадоксы потеряли статус необъяснимых и перешли в чёткое логическое поле понимания. Далее мы коснёмся некоторых, пока ещё непонятных на сегодня «тёмных» уголков знания. Надеемся, что со временем нам станет ясно, что за этим кроется и каковы природа и свойства происходящего явления.

Парадоксы физики

Физика – наука, которая богата парадоксами. Они обнаружены в различных направлениях науки: термодинамике, гидродинамике, квантовой механике. Приведём примеры некоторых из них доступным читателю стилем изложения.

1. Парадокс Архимеда: огромное судно может плавать в нескольких литрах воды.
2. Парадокс чайного листа: после перемешивания чая все чаинки собираются в центре чашки, что противоречит действию центробежной силы. Под её действием они должны перемещаться к стенкам. Но такого не происходит
3. Парадокс Млембы: горячая вода при определённых условиях может замёрзнуть быстрее, чем холодная.
4. Парадокс Даламбера: тело шаровидной формы не получает сопротивления при движении в идеальной жидкости.
5. Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена: далёкие друг от друга события имеют взаимовлияние.
6. Кот Шрёдингера: квантовый парадокс. Кот находится в двух состояниях (ни жив, ни мёртв) до тех пор, пока мы на него не посмотрим.

   

7. Исчезновение информации в чёрной дыре: информация уничтожается при попадании в чёрную дыру.
8. Парадокс происхождения: при путешествии во времени возникает вопрос о том, что первоначально, — объекты или информация.

Существуют и другие, весьма загадочные парадоксы физики.

Где ещё могут наблюдаются парадоксы?

Большое количество «тёмного» знания существует в различных сферах нашей жизни. Его можно обнаружить в логике, математике и статистике, геометрии, химии. Кроме этого, существуют философские, экономические, юридические, психофизические парадоксы.

С появлением понимания возможности перемещения во времени в любом направлении (современная наука теоретически подтверждает такую возможность) лавиной хлынули странные заключения, связанные с такими путешествиями. К примеру, всем известный парадокс дедушки. Он гласит о том, что если вы вернётесь в прошлое и убьёте своего дедушку, то не родитесь. Соответственно, вы не можете убить своего дедушку.

Квантовая физика — царство парадоксов

С появлением нового направления в физике количество парадоксов значительно возросло. По мнению учёных, в неё можно либо верить, либо не понимать. Квантовая физика не поддерживает существующие известные нам законы и состоит из сплошных парадоксов, противоречащих нашему здравому смыслу. К примеру, одна частица может воздействовать на другую независимо от расстояния (квантовая запутанность). Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена включает в себя не только явление взаимозависимости состояния частиц, но и невозможность одновременного измерения положения и состояния элементарной частицы.

Одним словом, квантовая физика считается королевой царства непонятного.

«Логика без логики»

Где же ещё происходят странные события и явления? Давайте окунёмся в математику и её теорию вероятности. Весьма известным является парадокс Монти Холла. Впервые он был озвучен в 1990 году.

Своё название получил в честь телеведущего одного игрового шоу, где игрокам предоставлялся выбор двери, за которой скрывается приз.

Если описывать простыми словами, то ситуация такова: когда игрок меняет свой выбор после предложения ведущего, меняется ход дальнейших событий. Хотя, по теории вероятности, результат должен иметь равнозначность шансов. Для более полного понимания посмотрите на схему, отображающую результаты выбора игрока и их взаимосвязь.

Как правило, парадокс – это неожиданный результат, который нельзя объяснить логическим путём. Парадокс Холла является далеко не единственным примером с обнаруженными логическими противоречиями из области теории вероятности. Найдено более десятка необъяснимых и странных явлений. К примеру, два независимых события окажутся условно зависимыми, если одно из них не свершится. Это явление получило название парадокс Берксона.

Одним словом, парадокс — это несоответствие полученного и ожидаемого результата.

Возможная природа возникновения странных событий: теория парадоксов

Научный мир и сегодня продолжает разбираться с природой и сутью возникновения подобных явлений. Существует несколько предположений, которые дают возможность существования «тёмного» знания в различных сферах информации.

• По более простой и доступной версии они возникают из-за неполного знания механизмов или алгоритмов природы, или же логического фундамента мышления.
• По другой версии, это применяемый способ построения анализа не является правильным, но на данный момент он вполне приемлем. Если говорить простыми словами, то мы неправильно пользуемся логическим мышлением, но на сегодня этот стиль вполне применим для человечества. Как показывает ход развития цивилизации, именно так происходило в прошлом, но подобные изменения протекают незаметно и достаточно медленно.
• Существует иная гипотеза, поясняющая причину возникновения парадоксов. Она гласит, что если мы сталкиваемся с парадоксами, то это говорит о предопределённости будущего.

Пояснение таково: если некоторое явление предопределено в будущем, то человек не может изменить или повлиять на него, независимо от своих знаний и представлений. По причине этого в некоторых случаях возникают события, результат которых противоречит логическому пониманию.

Заключение

Мы не можем чётко сказать, какова реальная причина возникновения столь странных событий или явлений. Однако можем точно утверждать, что парадокс – это «двигатель» познания. Сталкиваясь с неожиданными результатами, многие учёные и исследователи пускаются в долгий и сложный путь в поисках истины этого мира и своего места в нем.

Квантовый Парадокс простыми словами. Квантовый парадокс Зенона

Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями — парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.
Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».
В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.
В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом — исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра , распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.
Теперь — нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.
Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.
Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.
Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…»
Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете здесь
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».
Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 — exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз — не меняется.
w=1 — exp(-t/NT)^N=1 — exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.
Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции) . Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.
К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это здесь
Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю sheknitrtch за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.

science.ru-land.com

Квантовая механика на пальцах. Часть I

Современную физику принято подразделять на две большие ветви — классическую и квантовую. Первая исторически восходит к Галилею и Ньютону, вторая — к Максу Планку и Альберту Эйнштейну. Квантовая идеология первоначально обрела себе место в новой теории электромагнитного излучения, однако без большой задержки распространилась на описание свойств материи на уровне атомов и молекул. В этом качестве она стала основой новой науки, названной квантовой механикой. Попробуем разобраться в ее сути с нуля, без каких-либо предварительных знаний.

Квантовая механика давно вышла за свои первоначальные рамки. Уже к концу первой трети двадцатого века она стала незаменимым инструментом теоретического изучения электрических и магнитных свойств различных материалов. Она нужна для описания атомных ядер и частиц, из которых те состоят, — протонов и нейтронов. Квантовая механика также лежит в основе наших знаний о самых фундаментальных свойствах материи, которая заполняет Вселенную. Без нее невозможно выяснить, откуда взялись химические элементы, почему загораются, светят и умирают звезды, как рождаются космические лучи и что происходит при столкновениях элементарных частиц. В общем, это наука широкого профиля.

Но это не всё. Квантовая механика показала, что в микромире действуют законы, которые сильно противоречат нашему житейскому опыту. Их нелегко осознать, к ним непросто привыкнуть, они удивительны и парадоксальны — и все же справедливы!

НАСЛЕДИЕ НЬЮТОНА

Слово «механика» имеет много смыслов, однако с точки зрения физики это наука о движении, о перемещении в пространстве. Теннисный мяч летит над сеткой, поезд мчится по рельсам, ветры переносят воздушные потоки, Земля вращается вокруг Солнца, а оно в свою очередь каждые двести миллионов лет совершает полный оборот вокруг центра нашей Галактики. Эти движения совершаются под действием различных сил, иногда очень сложных. Однако все они описываются одними и теми же законами, которые в XVII веке открыл великий английский физик и математик Исаак Ньютон. Позднее их не раз переписывали с помощью все новых математических формул, но суть от этого не менялась. И двести с лишним лет физики были уверены, что великое творение Ньютона не знает исключений.

Возьмем простейшее из всех мыслимых тел — крошечный шарик. Если заложить в уравнения механики сведения о том, какова его масса, какие силы на него действуют, где он находится в начальный момент и какую при этом имеет скорость, можно будет вычислить положение (как говорят физики, координаты) и скорость шарика во все последующие моменты. Чтобы описать движение тела сложной формы, надо знать побольше, и на практике такие расчеты могут оказаться очень трудоемкими не только для человека, но и для суперкомпьютера, но это уже дело техники.  

Ньютоновская механика имеет дело только с теми движениями, которые задаются координатами тел и их скоростями. При этом она принимает без доказательств, что все эти величины можно одновременно измерить с любой точностью — во всяком случае, в принципе. Именно это допущение позволяет считать, что тело в любой момент находится в определенном месте в пространстве и при этом имеет определенную скорость. Если от него отказаться, уравнения ньютоновской механики не только потеряют силу, но и станут бессмысленными. Это легко понять — ведь координаты и скорости фигурируют в них на равных правах и в сочетании друг с другом.

МЕРА ЗА МЕРУ

Теперь подумаем, как на практике выполнить такие измерения. Предположим, мы следим за самолетом с помощью радиолокатора. Импульсы радиоволн отражаются от корпуса машины, и прибор выдает на дисплее ее координаты и скорость. При отражении каждый импульс передает самолету часть своей энергии и тем самым чуть-чуть меняет его скорость. Однако кинетическая энергия самолета настолько превышает энергию облучения, что эти изменения никак себя не оказывают и могут считаться нулевыми. Это и дает основания утверждать, что наш прибор одновременно отслеживает и путь, и скорость самолета. То же самое происходит и при любых измерениях движения крупных (как говорят физики, макроскопических тел) посредством радиоволн, света или чего-то еще. Даже просто «на глазок» прикинуть расстояние до соседней машины на шоссе можно только потому, что она отражает свет — иначе мы бы ее просто не увидели. Это же относится и к оценке ее скорости.

Но вот можно ли таким же путем одновременно измерить координаты и скорость микрочастицы — скажем, электрона? Электроны несут электрические заряды и потому рассеивают электромагнитные волны, в том числе и свет. Следовательно, электрон в принципе можно отловить, поймав отраженный от него электромагнитный импульс. Однако его положение в пространстве нам удастся определить только с погрешностью, величина которой примерно равна длине волны излучения, которое мы использовали в нашем локаторе. Для повышения точности эту длину надо уменьшать, переходя от видимого света к ультрафиолету, потом к рентгеновским лучам, потом к гамма-излучению. Чтобы измерить скорость электрона, такую локацию надо выполнить как минимум дважды, причем через короткий промежуток времени.

Теперь мы подошли к главному — к моменту истины. Как уже говорилось, электромагнитный импульс передает часть своей энергии объекту, на котором он рассеивается. После отражения импульса кинетическая энергия электрона изменится, а потому изменится и его скорость. Электрон может ускориться, затормозиться или повернуть, но в любом случае его движение не будет прежним. Этого не произойдет лишь в том случае, если мы все время будем обстреливать электрон только такими импульсами, чья энергия практически равна нулю по сравнению с его собственной. Как только что говорилось, для достижения все большей точности в измерении координат надо раз за разом уменьшать длину волны, на которой работает наш воображаемый локатор (то есть увеличивать частоты). Можно ли это сделать, сохраняя энергию импульсов на сколь угодно малом уровне?

Если бы кому-то пришло в голову задать такой вопрос сразу после открытия электрона в 1897 году, ответ мог бы быть только положительным. Тогда считалось, что энергия электромагнитной волны может быть как угодно малой при любой длины волны. Но уже через три года было доказано, что Природа такой свободы не допускает.

НАКОНЕЦ-ТО КВАНТЫ!

Этим важнейшим открытием наука обязана немецкому физику-теоретику Максу Планку. В то время физиков очень интересовало тепловое излучение нагретых тел (скажем, утюга или раскаленной нити электрической лампочки). На этот счет было выполнено много экспериментов, однако их результаты никак не удавалось свести к одной формуле. В 1900 году Планк показал, что такую формулу можно получить, если предположить, что тепловое излучение испускается и поглощается отдельными пакетами, а вовсе не непрерывно. Энергия каждого пакета равна частоте излучения, умноженной на новую физическую константу, которую назвали постоянной Планка.

Новая теория радикально расходилась с тогдашними представлениями о природе электромагнитных волн (а тепловое излучение — это просто его разновидность). Все волновые процессы считались абсолютно непрерывными. По Планку же получалось, что это свойство относится разве что к уже родившимся волнам, которые распространяются в пространстве. Процессы испускания и поглощения волн, напротив, могут осуществляться только порционно (как говорят физики, дискретно). В общем, если электромагнитное излучение — это море, то черпать из него (или добавлять в него) воду можно только кружками определенной вместимости.

Следующий шаг через пять лет сделал Альберт Эйнштейн в своей теории фотоэффекта. Так называется процесс, в ходе которого свет выбивает электроны с поверхности различных веществ. Это явление в 1887 году открыл Генрих Герц — он же первооткрыватель электромагнитных волн. В начале двадцатого века было установлено, что энергия вылетающих электронов растет вместе с частотой падающего излучения. Чтобы объяснить этот результат, Эйнштейн допустил, что планковские энергетичсеские пакеты сохраняются и при распространении света. Световой поток оказался вовсе не непрерывным, он распадается на отдельные «зерна», которые Эйнштейн назвал световыми квантами (латинское слово «кванта» означает «количество»).  Так в языке физики появился термин, который в будущем дал название новой механике.

Вернемся к мысленному эксперименту с измерением движения электрона. Как говорилось, мы можем уточнять его позицию, обстреливая электрон световыми импульсами все меньшей длины волны. Это означает, что для локации электрона придется использовать кванты все большей частоты, а следовательно, энергии. Встреча с каждым таким квантом будет все сильнее менять его скорость. А для сколько-нибудь точного измерения скорости придется использовать свет очень малых частот, состоящий из квантов почти нулевой энергии. Уменьшение частоты означает рост длины волны, так что позицию электрона мы будем измерять со все большей погрешностью.

К чему же мы пришли? Мы предположили, что электрону в любой момент можно приписать и определенное положение в пространстве, и определенную скорость. Однако наш мысленный эксперимент показал, что квантовая структура света не позволяет одновременно измерить и то, и другое. Это принципиальный запрет, он не зависит от устройства и качества измерительных приборов. Чем точнее мы определяем положение электрона, тем сильнее меняем его скорость, в то время как точное измерение скорости делает невозможным измерение позиции.  Однако физика не имеет дела с воображаемыми вещами, это опытная наука. Поэтому наше первоначальное допущение о наличии у электрона пространственных координат и скорости не имеет физического смысла и должно быть отброшено. Выражаясь иначе электрон не может одновременно иметь и определенную скорость, и определенное положение в пространстве. Выходит, что для описания движения электрона ньютоновская теория не годится. Здесь нужна совсем другая механика, учитывающая квантовую природу света.

Эти рассуждения могли бы придти в голову какому-нибудь физику сразу после появления эйнштейновской теории фотоэффекта. До них мог додуматься сам Эйнштейн, который очень любил мысленные эксперименты и замечательно умел ими пользоваться (именно с их помощью он создал свою теорию относительности). Однако этого не случилось, и рождения новой механики пришлось ждать еще двадцать лет.

Вторая часть выложена здесь.

scientificrussia.ru

Поглотит ли квантовая механика реальность? / Habr

Соревнование между гравитацией и квантовой физикой принимает новый оборот

Это была крупнейшая из проблем, это была малейшая из проблем.

Сегодня у физиков на руках есть два свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, отлично описывающая гравитацию и всё, над чем она властвует: движущиеся по орбите планеты, сталкивающиеся галактики, динамика расширяющейся Вселенной. Это крупный масштаб. И есть квантовая механика, работающая с тремя другими взаимодействиями – электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно справляется с объяснением происходящего при распаде атома урана или при столкновении отдельных частиц света и фотоэлемента. Это малый масштаб.

А теперь проблема: относительность и квантовая механика – фундаментально различные теории, формулирующиеся по-разному. И это не вопрос научной терминологии, это столкновение по-настоящему несовместимых описаний реальности.

Конфликт между двумя половинами физики зрел более ста лет – начался он с пары работ Эйнштейна от 1905 года, одна из которых описывала относительность, а другая вводила понятие кванта – но недавно он вошёл в очень интересную и непредсказуемую фазу. Два выдающихся физика обозначили экстремальные позиции, каждый в своём лагере, и проводят эксперименты, которые смогут раз и навсегда определить преимущество одного из подходов.

Различие между относительностью и квантовыми системами можно представлять себе, как различие между «гладким» и «зернистым». В ОТО события непрерывны и детерминистичны, то есть каждое действие вызывает определённый локальный эффект. В квантовой механике события, происходящие из-за взаимодействий субатомных частиц, происходят прыжками (ага, квантовыми скачками), с вероятностными, а не детерминистскими, результатами. Квантовые правила позволяют устанавливать связи, запрещённые классической физикой. Это недавно было показано в часто обсуждаемом эксперименте, в котором нидерландские исследователи бросили вызов эффекту локальности. Они показали, что две частицы – в их случае, электроны – могут мгновенно влиять друг на друга, хотя они были разнесены на полтора километра. Если попытаться интерпретировать гладкие релятивистские законы в зернистом квантовом стиле, или наоборот, всё летит в тартарары.

ТО выдаёт бессмысленные ответы, если попытаться уменьшить масштаб до квантовых размеров, и опускается до бесконечных значений при описании гравитации. И наоборот, квантовая механика сталкивается с серьёзными трудностями, будучи раздутой до космических масштабов. Квантовые поля переносят определённое количество энергии, даже во вроде бы пустом пространстве, и чем больше поля, тем больше становится энергия. Согласно Эйнштейну энергия эквивалентна массе (E = mc²), так что накапливать энергию – это всё равно, что накапливать массу. Если накопить её достаточно много, то количество энергии в квантовом поле создаёт чёрную дыру, из-за которой схлопывается вся Вселенная. Ой.

Крэйг Хоган, астрофизик-теоретик в Чикагском университете и директор Центра астрофизики частиц в Фермилаб, заново осмысливает квантовый аспект физики при помощи новой теории, в которой квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать. Ли Смолин, основатель Института теоретической физики Периметр в университете Ватерлоо, пытается заставить физику вернуться к философским эйнштейновским корням, а затем протянуть эти корни в интересном направлении.

Чтобы понять, что стоит на кону, взглянем на предыдущие теории. Когда Эйнштейн открыл миру ОТО, она не только заместила теорию гравитации Исаака Ньютона, но и открыла новый способ рассмотрения физики, приведший к современным концепциям Большого взрыва и чёрных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для того, чтобы в вашем телефоне работала GPS. Так же и квантовая механика не просто переформулировала уравнения Максвелла, описывавшие электричество, магнетизм и свет. Она обеспечила инструменты, необходимые для создания Большого адронного коллайдера, фотоэлементов и всей современной микроэлектроники.

По итогам этих споров произойдёт, ни много, ни мало – третья революция в современной физике, что приведёт к ошеломляющим последствиям. Мы можем узнать, откуда взялись законы природы, и построен ли космос на основе неопределённости, или же в его основе лежит детерминизм, когда с каждым событием связана определённая причина.

Крэйг Хоган

Зернистый космос

Хоган, лидер квантового взгляда на мир, предпочитает вместо того, чтобы блуждать в темноте, действовать согласно анекдоту, и заниматься поисками там, где светлее – где ярче свет, и где выше вероятность увидеть что-то интересное. Это основной принцип в его текущих исследованиях. По его словам, столкновение между реальностью и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь понять, что делает гравитация на чрезвычайно малых расстояниях – поэтому он решил присмотреться к тому, что там происходит. «Уверен, что возможно провести эксперимент, который позволит увидеть, что происходит, как работает этот интерфейс, который нам пока непонятен», – говорит он.

Простейшее предположение в эйнштейновской физике – а следы его происхождения ведут ещё к Аристотелю – состоит в том, что пространство – непрерывное и бесконечно делимое, и любое расстояние можно разделить на ещё меньшие расстояния. Но Хоган поднимает вопрос об истинности такого подхода. Так же, как у вашего экрана есть самая маленькая единица – пиксель, а у света самая маленькая единица – фотон, так и у расстояния, по его словам, должна быть неделимая мельчайшая единица – квант пространства.

По версии Хогана будет бессмысленным спрашивать, как ведёт себя гравитация на расстояниях, меньших единицы пространства. На таких масштабах гравитация работать не сможет, поскольку таких масштабов не существует. Иначе говоря, ОТО обязана будет помириться с квантовой физикой, поскольку пространство, в котором измеряются эффекты относительности, будет разделено на неделимые кванты. Театр реальности, где играет гравитация, будет выступать на квантовой сцене.

Хоган признаёт, что эта концепция звучит довольно странно, даже для тех из его коллег, кто ратует за квантовую интерпретацию. С конца 1960-х группа физиков и математиков разрабатывали платформу под названием «теория струн», чтобы помирить ОТО с квантовой механикой. С годами она превратилась в основную теорию, хотя и не смогла выполнить ранние обещания. Как и решение с зернистым пространством, теория струн предполагает наличие у пространства фундаментальной структуры, но затем две теории расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн. Как и зернистое пространство, теория струн избегает гравитационной катастрофы, вводя конечную минимальную единицу пространства, хотя размер у этих струн гораздо меньше, чем у пространственных структур, разыскиваемых Хоганом.

Зернистое пространство не состыковывается с идеями теории струн, или с любой другой предлагаемой физической моделью. «Это новая идея, её нет в учебниках, она не следует из любой стандартной теории», – беззаботно говорит Хоган. «Но ведь и нет никакой стандартной теории, не так ли?»

Если он окажется прав, то многие формулировки теории струн окажутся не у дел, и его теория вдохновит свежий подход к переписыванию ОТО в квантовых терминах. Появятся новые способы понимания внутренней природы пространства и времени. И, что удивительнее всего, теория поддержит модную идею о том, что наша трёхмерная реальность состоит из более простых двумерных единиц. Хоган серьёзно относится к метафоре «пикселей» – так же, как картинка в телевизоре может создать иллюзию глубины из плоских пикселей, так и пространство, по его словам, может возникнуть из набора элементов, ведущих себя так, будто они находятся в двумерном пространстве.

Как и многие идеи, находящиеся на дальних границах современной теоретической физики, рассуждения Хогана могут звучать, как вечерние философские беседы первокурсников. Отличаются они тем, что физик планирует проверить их в эксперименте. Прямо сейчас.

С 2007 года Хоган размышлял о том, как построить устройство, способное измерить чрезвычайно мелкую зернистость пространства. У его коллег оказалось множество идей на этот счёт, основанных на технологии, разработанной для поиска гравитационных волн. За два года Хоган разработал предложение и работал с коллегами из Фермилаб, Чикагского университета и других институтов над постройкой машины для поиска зернистости, которую он называет «голометром». Это эзотерический каламбур, делающий отсылку одновременно к измерительному прибору XVII века и к теории, по которой двумерное пространство может казаться трёхмерным, что напоминает хранение изображения в голограмме.

Под наслоениями концептуальной сложности в голометре находится такое технологически несложное устройство, как лазер, полупрозрачное зеркало, разветвляющее луч лазера на два перпендикулярных, и ещё два зеркала, отражающих лучи обратно в 40-метровом тоннеле. Лучи откалиброваны так, чтобы регистрировать точное местоположение зеркал. Если пространство зернистое, то положение зеркал будет постоянно меняться (точнее, меняться будет само пространство), что будет создавать постоянные и случайные изменения расстояния между ними. После воссоединения лучей они окажутся слегка рассинхронизированными, и величина несоответствия покажет масштаб зернистости пространства.

Для таких масштабов, на которые рассчитывает Хоган, ему необходимо измерять расстояния с точностью до 10^-18 метров, то есть в 100 млн раз меньше атома водорода, и собирать данные со скоростью 100 млн измерений в секунду. Что удивительно, такой эксперимент не только теоретически возможен, но и практически реализуем. «Мы смогли обойтись без серьёзных затрат благодаря достижениям фотоники, использованию множества готовых компонентов, быстрой электронике и прочим вещам, – говорит Хоган. – Это довольно смелый эксперимент, поэтому его не стали бы проводить, не будь он недорогим». Голометр сейчас жужжит себе, и собирает данные с нужной точностью. К концу года ожидается получение предварительных результатов.

Хоган столкнулся с критикой яростных скептиков, многие из которых принадлежат к сообществу физиков-теоретиков. Тему споров легко понять: успех голометра будет означать провал большого объёма работ по теории струн. Но, несмотря на эти споры, Хоган и большинство его коллег убеждены в том, что ОТО в результате придётся подчиниться квантовой механике. Остальные три закона физики [видимо, имеются в виду фундаментальные взаимодействия – прим. перев.] подчиняются квантовым правилам, поэтому есть смысл в том, чтобы так вела себя и гравитация.

У большинства современных теоретиков вера в преимущество квантовой механики простирается ещё дальше. На философском и эпистемологическом уровне они считают, что крупномасштабная реальность классической физики – это некая иллюзия, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, работающего на малых масштабах. И зернистое пространство согласуется с таким взглядом на мир.

Хоган сравнивает свой проект со знаковым экспериментом XIX века Майкельсона-Морли, искавших эфир – гипотетическую субстанцию, которая, согласно лидировавшей в то время теории, проводит световые волны в вакууме. Эксперименты ничего не обнаружили – и это озадачивающее отсутствие результата вдохновило Эйнштейна на СТО, из которой выросла ОТО, перевернувшая в итоге вверх тормашками весь мир. Дополняя связь времён, эксперимент Майкельсона-Морли измерял и структуру пространства, используя зеркала и разделённый луч света – что очень напоминает эксперимент Хогана.

«Мы делаем наш голометр с таким же настроением. Увидим ли мы что-либо, или нет – в любом случае результат будет интересным. Эксперимент делается для того, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти что-либо, поддерживающее теорию, – говорит Хоган. – По тому, как ваши коллеги-теоретики относятся к эксперименту, можно судить об их природе. Наши теории располагают к математическому стилю мышления. Надеюсь на такие результаты, которые заставят людей вести теоретические изыскания в другом направлении».

Найдёт Хоган квантовую структуру пространства или нет, но он уверен в том, что голометр поможет физикам ближе подойти к задаче большого и малого. Он покажет правильный (или закроет неправильный) путь к пониманию квантовой структуры пространства и того, как это влияет на релятивистские законы гравитации, пронизывающей его.

Только в чёрных дырах квантовая физика сталкивается с ОТО таким образом, который невозможно игнорировать

Чрезвычайно большое представление

Если вы пожелаете посмотреть в совершенно другом направлении, тогда вам нужен Смолин из Института теоретической физики. Если Хоган тщательно перебирает зёрнышки, то Смолина можно назвать абсолютным диссидентом: «Когда я был аспирантом, Ричард Фейнман сказал мне кое-что. Это звучало примерно так: ‘Если все ваши коллеги пытались показать, что нечто истинно, и у них это не получилось – возможно, так вышло потому, что это нечто и в самом деле не является истиной’. Вот и теория струн тянется уже 40-50 лет без видимого прогресса».

Ли Смолин

И это только начало более обширной критики. Смолин считает, что подход к физике с малых масштабов неполон по своей сути. Текущие версии квантовой теории поля хорошо объясняют, как отдельные частицы или малые системы частиц себя ведут, но совершено не принимают во внимание то, что необходимо для построения разумной теории всего космоса. Они не объясняют, почему ТО именно такая, какая есть. Как говорит Смолин, квантовая механика – просто «теория подсистем вселенной».

По его словам, более продуктивным подходом будет рассмотрение вселенной как одной гигантской системы, и построение новой теории, применимой ко всему сразу. И у нас уже есть теория, обеспечивающая платформу для такого подхода: ОТО. В отличие от квантовой платформы, ОТО не содержит возможности наличия внешнего наблюдателя или внешних часов – никакого «вне» просто не существует. Вместо этого реальность описывается через взаимодействие объектов и различных районов пространства. Даже о такой базовой вещи, как инерция объекта (сопротивление вашего автомобиля попыткам начать движение, пока его не заставит это делать двигатель, и его тенденция двигаться после того, как вы сняли ногу с педали газа), можно рассуждать как о связи со всеми остальными частицами вселенной посредством гравитационного поля.

Последнее утверждение настолько странное, что его стоит рассмотреть подробнее. Проведём мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привёл Эйнштейна к этой теории в 1907 году. Допустим, Вселенная будет полностью пустой, за исключением двух космонавтов. Один из них крутится, второй покоится. Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт. И без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.

И разница между двумя космонавтами появляется, только если вы вернёте обратно всю остальную вселенную. Следовательно, в классической интерпретации ОТО инерция существует только потому, что вы можете измерить её по отношению к космическому гравитационному полю. То, что верно в этом мысленном эксперименте, верно и для всех объектов реального мира: поведение каждой его части неразрывно связано со всеми остальными. Если вы когда-нибудь хотели быть частью чего-то большего – тогда эта физика для вас. А по мнению Смолина, это ещё и многообещающий метод получения ответов на вопросы о функционировании природы на всех масштабах.

«ОТО – это не описание подсистем. Это описание всей вселенной как замкнутой системы», – говорит он. Когда физики пытаются избавиться от несоответствия между ТО и квантовой механикой, то для них кажется разумным идти по стопам Эйнштейна и мыслить наиболее крупными категориями.

Смолин прекрасно понимает, что идёт против всеобщей привязанности к мышлению в мелких, квантовых масштабах. «Я не собираюсь мутить воду, просто так получается. Я хочу аккуратно поразмыслить на эти сложные темы, опубликовать мои заключения и подождать, пока уляжется пыль, – добродушно говорит он. – Надеюсь, что люди будут спорить с аргументами, и что в результате можно будет вывести проверяемые предсказания».

На первый взгляд, идеи Смолина неудобны для организации реальных экспериментов. Как он утверждает, кроме того, что все части вселенной связаны друг с другом через пространство, они могут быть связаны и через время. Его рассуждения привели его к гипотезе о том, что законы физики эволюционируют вместе с развитием вселенной. С годами он выработал два подробных предположения по поводу того, как это может происходить. Его теория о космологическом естественном отборе, выработанная им в 1990-х, рассматривает чёрные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Позже он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики под названием «принцип предшествования» – и вот её, судя по всему, уже можно подвергать проверкам.

Принцип предшествования возникает как ответ на вопрос о том, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проводите эксперимент, который уже проводили ранее, вы ожидаете, что результат будет такой же, как и в прошлом. Зажгите спичку, и она загорится. Зажгите ещё одну спичку тем же способом – ну, вы поняли. Воспроизводимость – это настолько знакомая нам часть жизни, что мы о ней и не задумываемся. Мы просто приписываем последовательные результаты работе естественного «закона», работающего неизменно. Смолин предполагает, что такие законы могут со временем появляться из-за того, что квантовые системы копируют поведение похожих систем, наблюдавшееся в прошлом.

Один из возможных способов уловить момент появления – провести эксперимент, который раньше никто не проводил, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать. Такой эксперимент может создавать квантовую систему высокой сложности, содержащую много компонент, существующих в новом запутанном состоянии. Если принцип предшествования верен, то начальная реакция системы будет случайной. При повторении эксперимента предшествование будет накапливаться, и реакция системы должна стать предсказуемой – в теории. «Систему, по которой Вселенная выстраивает прецеденты, отличить от случайного шума экспериментальной практики будет сложно, – говорит Смолин, – но возможно».

Хотя прецеденты могут участвовать в происходящем на атомных масштабах, их влияние будет распространяться на весь космос. Это связано с идеей Смолина о том, что редукционистское, мелкомасштабное мышление является неправильным подходом к решению больших задач. Но недостаточно заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя это и важно. Он, как и все мы, хочет знать, почему Вселенная такая, какая есть. Почему время двигается вперёд, а не назад? Как мы оказались в такой вселенной, с такими, а не другими, законами?

Отсутствие осмысленных ответов на эти вопросы говорит о том, что «с нашим пониманием квантовой теории поля что-то не так на глубоком уровне», – говорит Смолин. Как и Хоган, его не так волнует результат любого эксперимента, как общая схема программы поисков фундаментальных истин. Для него это означает наличие возможности рассказать полную, связную историю Вселенной. Это значит иметь возможность не только предсказывать эксперименты, но и объяснять уникальные свойства, приведшие к появлению атомов, планет, радуг и людей. И тут он также вдохновляется Эйнштейном.

«Урок ОТО в том, что побеждает релятивизм», – говорит Смолин. Наиболее вероятный способ получения больших ответов – рассмотрение Вселенной как единого целого.

И победителем становится…

Если вам нужен судья в этом споре большого и малого, то сложно найти лучшую кандидатуру, чем Шон Кэррол, эксперт в космологии, теории поля и гравитационной физике в Калтехе. Он разбирается в относительности, квантовой механике, и обладает чувством абсурдного: он назвал свой блог «Абсурдная Вселенная».

И прямо сразу Кэррол почти полностью встаёт на сторону квантовой механики. «Большинство из нас верят, что квантовая механика более фундаментальна, чем ОТО», – говорит он. Такая точка зрения преобладала с 1920-х, когда Эйнштейн пытался и никак не мог найти изъяны в контринтуитивных предсказаниях квантовой теории. Недавний нидерландский эксперимент, продемонстрировав мгновенную квантовую связь между двумя сильно разделёнными частицами – то, что Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием» – лишь подчёркивает силу доказательств.

Если смотреть шире, то настоящая проблема не в ОТО против квантовой теории поля, как говорит Кэррол, а классическая динамика против квантовой динамики. Относительность, несмотря на свою странность, классическая в том смысле, как она относится к причине и следствию; квантовая механика однозначно нет. Эйнштейн был уверен, что некие глубинные открытия раскроют классическую, детерминистскую реальность, прячущуюся под квантовой механикой, но пока такого порядка обнаружено не было. Продемонстрированная реальность с пугающим дальнодействием говорит о том, что такого порядка не существует.

«Люди явно недооценивают, насколько сильно квантовая механика опровергает наши понятия о пространстве и локальности (идею о том, что физическое явление может влиять только на своё непосредственное окружение). Таких вещей в квантовой механике просто нет», – говорит Кэррол. Из явлений малого масштаба могут вытекать крупномасштабные последствия, такие, как рассуждения Хогана по поводу трёхмерной реальности, возникающий из двумерных единиц пространства.

Но несмотря на кажущуюся поддержку, Кэррол считает, что у голометра Хогана шансов маловато, хотя и признаёт, что это не совсем его область исследований. С другой стороны, он не считает чем-то особенным попытки Смолина начать с космоса как с фундаментальной вещи. Он считает, что это настолько же абсурдно, как пытаться доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы. Что касается вопроса, какая из квантовых систем может поднять физику на следующий уровень, Кэррол оптимистично голосует за теорию струн, которая, по его словам, «кажется естественным продолжением квантовой теории поля». В любом случае он стоит за общепринятое в современной физике мышление, основанное на квантах.

И всё же мнение Кэррола, почти полностью склоняющееся к квантам, не полностью поддерживает мелкомасштабное мышление. В объяснениях квантовой теории всё ещё зияют огромные бреши. «Наша невозможность выбрать правильную версию квантовой механики – это позор, – говорит он. – И наш текущий способ представления квантовой механики – это полный провал, если рассуждать с точки зрения космологии всей Вселенной. Мы даже не знаем, что такое время». Хоган и Смолин поддерживают это высказывание, хотя и не соглашаются по поводу того, что с ним делать. Кэррол стоит за перевёрнутые объяснения, в которых время возникает из-за взаимодействий на квантовом уровне, но объявляет себя скептиком по поводу конкурирующего предположения Смолина о том, что время более универсально и фундаментально. Так что в вопросе о времени ещё ничего не решено.

Неважно, к чему придут теории, крупные масштабы никак нельзя игнорировать, поскольку именно в этом мире мы живём и наблюдаем его. По сути, вся вселенная в целом – это ответ, а задача физиков – сделать так, чтобы она появилась из уравнений. Даже если Хоган и прав, его зернистый космос должен в среднем сгладиться до состояния реальности, с которой мы ежедневно сталкиваемся. Даже если он неправ, у нас есть целый космос, со своими свойствами, которые необходимо объяснить – а этого пока что квантовая физика сделать не может.

Расширяя границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике построить такие связи. Они подталкивают её не только к примирению квантовой механики и ОТО, но и к примирению идеи и восприятия. Следующая великая теория физики без сомнения приведёт к прекрасной математике и невообразимым технологиям. Но лучшее, что она сможет сделать – это создать глубинный смысл, приводящий обратно к нам, наблюдателям, определяющим себя как фундаментальную шкалу вселенной.

habr.com

что на самом деле реально? / Habr

По словам Оуэна Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но словами ничего не докажешь. «Если мы рассказываем общественности, что квантовая теория очень странная, нам необходимо проверить это утверждение экспериментально,- говорит Маруни. – А иначе мы не наукой занимаемся, а рассказываем про всякие закорючки на доске».

Именно это навело Маруни сотоварищи на мысль разработать новую серию экспериментов для раскрытия сути волновой функции – загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге, волновая функция – просто математический объект, обозначаемый буквой пси (Ψ) (одна из тех самых закорючек), и используется для описания квантового поведения частиц. В зависимости от эксперимента, волновая функция позволяет учёным вычислять вероятность наблюдения электрона в каком-то конкретном месте, или шансы того, что его спин ориентирован вверх или вниз. Но математика не говорит о том, что на самом деле такое волновая функция. Это нечто физическое? Или просто вычислительный инструмент, позволяющий работать с невежественностью наблюдателя касательно реального мира?

Использованные для ответа на вопрос тесты очень тонкие, и им всё ещё предстоит выдать однозначный ответ. Но исследователи оптимистичны в том, что развязка близка. И им, наконец, удастся ответить на вопросы, мучавшие всех десятки лет. Может ли частица реально быть во многих местах одновременно? Делится ли Вселенная постоянно на параллельные миры, в каждом из которых существует наша альтернативная версия? Существует ли вообще нечто под названием «объективная реальность»?

«Такие вопросы рано или поздно появляются у любого»,- говорит Алессандро Федриччи, физик из Квинслендского университета (Австралия). «Что на самом деле реально?»

Споры о существе реальности начались ещё тогда, когда физики выяснили, что волна и частица – лишь две стороны одной медали. Классический пример – эксперимент с двумя щелями, где отдельные электроны выстреливаются в барьер, имеющий две щели: электрон ведёт себя так, будто проходит через две щели одновременно, создавая полосатый рисунок интерференции с другой её стороны. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал волновую функцию для описания этого поведения и вывел уравнение, позволявшее вычислять её для любой ситуации. Но ни он, ни кто либо ещё, не мог ничего рассказать о природе этой функции.

Благодать в невежестве

С практической точки зрения её природа не важна. Копенгагенская интерпретация квантовой теории, созданная в 1920-х годах Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, использует волновую функцию просто как инструмент для предсказания результатов наблюдений, позволяя не думать о том, что происходит при этом в реальности. «Нельзя винить физиков в такой модели поведения, „заткнись и считай“, поскольку она привела к значительным прорывам в ядерной и атомной физике, физике твёрдого тела и физике элементарных частиц»,- говорит Джин Брикмонт, специалист по статистической физике Католического университета в Бельгии. «Поэтому люди советуют не волноваться относительно фундаментальных вопросов».

Но некоторые всё равно волнуются. К 1930-м годам Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию, не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам спутывать свои волновые функции, что приводило к ситуации, в которой измерения одной из них могли мгновенно дать состояние другой, даже если они при этом разделены огромными расстояниями. Чтобы не смиряться с этим «пугающим взаимодействием на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц были неполны. Он говорил, что возможно, у частиц есть некие скрытые переменные, определяющие результат измерения, которые не были замечены квантовой теорией.

Эксперименты с тех пор продемонстрировали работоспособность пугающего взаимодействия на расстоянии, что отвергает концепцию скрытых переменных. но это не остановило остальных физиков интерпретировать их по-своему. Эти интерпретации делятся на два лагеря. Одни соглашаются с Эйнштейном в том, что волновая функция отражает наше невежество. Это то, что философы зовут пси-эпистемическими моделями. А другие рассматривают волновую функцию как реальную вещь – пси-онтические модели.

Чтобы понять разницу, представим себе мысленный эксперимент Шрёдингера, описанный им в 1935 году в письме Эйнштейну. Кот находится в стальной коробке. Коробка содержит образец радиоактивного материала, у которого есть 50% шанс испустить продукт распада за один час, и аппарат, отравляющий кота в случае, если этот продукт будет обнаружен. Поскольку радиоактивный распад – событие квантового уровня, пишет Шрёдингер, правила квантовой теории говорят, что в конце часа волновая функция внутренностей коробки должна быть смесью из мёртвого и живого кота.

«Грубо говоря,- мягко выражается Федриччи,- в пси-эпистемической модели кот в коробке либо жив, либо мёртв, и мы просто не знаем этого из-за того, что коробка закрыта». А в большинстве пси-онтических моделей существует согласие с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку, кот одновременно будет и жив и мёртв.

Но тут спор заходит в тупик. Какая из интерпретаций истинна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, поскольку разница между моделями очень тонка. Они по сути должны предсказать то же квантовое явление, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Квинслендского университета, говорит, что за его 20-летнюю карьеру в квантовых технологиях «эта задача была как огромная гладкая гора без уступов, к которой нельзя было подступиться».

Всё поменялось в 2011 году, с опубликованием теоремы о квантовых измерениях, которая вроде бы устранила подход «волновая функция как невежество». Но по ближайшему рассмотрению оказалось, что эта теорема оставляет достаточно место для их манёвра. Тем не менее, она вдохновила физиков серьёзно задуматься о способах решения спора путём тестирования реальности волновой функции. Маруни уже разработал эксперимент, который в принципе работоспособен, и он с коллегами вскоре нашёл способ заставить его работать на практике. Эксперимент был проведён в прошлом году Федриччи, Уайтом и другими.

Для понимания идеи теста представьте две колоды карт. В одной есть только красные, в другой – только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды»,- говорит Мартин Рингбауэр, физик из того же университета. Если это красный туз, «случается пересечение, и вы не сможете сказать этого определённо». Но если вы знаете, сколько карт в каждой колоде, можно подсчитать, как часто будет возникать такая двусмысленная ситуация.

Физика в опасности

Такая же двусмысленность случается и в квантовых системах. Не всегда можно одним измерением узнать, например, как поляризован фотон. «В реально жизни просто отличить запад от направления чуть южнее запада, но в квантовых системах это не так просто»,- говорит Уайт. Согласно стандартной копенгагенской интерпретации, нет смысла спрашивать о поляризации, поскольку у вопроса нет ответа – пока ещё одно измерение не определит ответ в точности. Но согласно модели «волновая функция как невежество», вопрос имеет смысл – просто в эксперименте, как и в том, с колодами карт, не хватает информации. Как и с картами, возможно предсказать, сколько двусмысленных ситуаций можно объяснить таким невежеством, и сравнить с большим количеством двусмысленных ситуаций, разрешённых стандартной теорией.

Именно это и проверяли Федриччи с командой. Группа измеряла поляризацию и другие свойства в луче фотонов, и находила уровень пересечений, который нельзя объяснить моделями «невежества». Результат поддерживает альтернативную теорию – если объективная реальность существует, то существует и волновая функция. «Впечатляет, что команда смогла решить такую сложную задачу таким простым экспериментом»,- говорит Андреа Альберти, физик из Университета Бонна (Германия).

Вывод ещё не высечен в граните: поскольку детекторы улавливали лишь пятую часть использованных в тесте фотонов, приходится предполагать, что утерянные фотоны вели себя точно так же. Это сильное предположение, и сейчас группа работает над тем, чтобы уменьшить потери и выдать более определённый результат. В это время команда МАруни в Оксфорде работает с Университетом Нового Южного Уэльса (Австралия), чтобы повторить такой опыт с ионами, которых проще отслеживать. «В ближайшие шесть месяцев у нас будет неоспоримая версия этого эксперимента»,- говорит Маруни.

Но даже если их ждёт успех и победят модели «волновая функция как реальность», то и у этих моделей есть разные варианты. Экспериментаторам придётся выбирать один из них.

Одна из самых ранних интерпретаций была сделана в 1920-х годах французом Луи де Бройлем, и расширена в 1950-х американцем Дэвидом Бомом. Согласно моделям Бройля-Бома, у частиц есть определённое местоположение и свойства, но их ведёт некая «пилотная волна», которая и определяется как волновая функция. Это объясняет эксперимент с двумя щелями, поскольку пилотная волна может пройти через обе щели и выдать картину интерференции, хотя сам электрон, влекомый ею, проходит только через одну щель из двух.

В 2005 году эта модель получила неожиданную поддержку. Физики Эммануэль Форт, сейчас работающий в Институте Лангевина в Париже, и Ив Кодье из Университета Париж Дидро задали студентам простую, по их мнению, задачку: поставить эксперимент, в котором капли масла, падающие на поднос, будут сливаться из-за вибраций подноса. К удивлению всех вокруг капель начали образовываться волны, когда поднос вибрировал с определённой частотой. «Капли начали передвигаться самостоятельно по своим собственным волнам»,- говорит Форт. «Это был дуальный объект – частица, влекомая волной».

С тех пор форт и Кодье показали, что такие волны могут провести свои частицы в эксперименте с двумя щелями точно как предсказывает теория пилотной волны, и могут воспроизводить другие квантовые эффекты. Но это не доказывает существование пилотных волн в квантовом мире. «Нам говорили, что такие эффекты в классической физике невозможны,- говорит Форт. – И тут мы показали, что возможны».

Ещё один набор моделей, основанных на реальности, разработанный в 1980-х, пытается объяснить сильную разницу свойств у больших и малых объектов. «Почему электроны и атомы могут быть в двух местах одновременно, а столы, стулья, люди и коты – не могут»,-говорит Анджело Баси, физик Триестского университета (Италия). Известные как «коллапсные модели», эти теории говорят, что волновые функции отдельных частиц реальны, но могут терять свои квантовые свойства и приводить частицу в определённое положение в пространстве. Модели построены так, что шансы такого коллапса чрезвычайно малы для отдельной частицы, так что на атомном уровне доминируют квантовые эффекты. Но вероятность коллапса быстро растёт при объединении частиц, и макроскопические объекты полностью теряют свои квантовые свойства и ведут себя согласно законам классической физики.

Один из способов это проверить – искать квантовые эффекты у больших объектов. Если верна стандартная квантовая теория, то ограничений на размер нет. И физики уже провели эксперимент с двумя щелями при помощи больших молекул. Но если верны модели коллапса, то квантовые эффекты не будут видны при превышении определённой массы. Разные группы планируют искать эту массу, используя холодные атомы, молекулы, металлические кластеры и наночастицы. Они надеются обнаружить результаты в ближайшие десять лет. «Что классно с этими экспериментами, так это то, что мы будем подвергать квантовую теорию точным тестам там, где её ещё не проверяли»,- говорит Маруни.

Параллельные миры

Одна модель «волновая функция как реальность» уже известна и любима писателями-фантастами. Это многомировая интерпретация, выработанная в 1950-х Хью Эвереттом, который в то время был студентом Принстонского университета в Нью-Джерси. В этой модели волновая функция так сильно определяет развитие реальности, что при каждом квантовом измерении Вселенная расщепляется на параллельные миры. Иными словами, открывая коробку с котом, мы порождаем две Вселенные – одна с мёртвым котом, а другая – с живым.

Сложно разделить эту интерпретацию и стандартную квантовую теорию, поскольку их предсказания совпадают. Но в прошлом году Говард Вайзман из Гриффитского университета в Брисбейне с коллегами предложил модель мультивёрса, которую можно проверить. В их модели нет волновой функции – частицы подчиняются классической физике, законам Ньютона. А странные эффекты квантового мира появляются потому, что между частицами и их клонами в параллельных вселенных есть отталкивающие силы. «Отталкивающая сила между ними порождает волны, распространяющиеся по всем параллельным мирам»,- говорит Вайзман.

Используя компьютерную симуляцию, в которой взаимодействовали 41 вселенная, они показали, что модель грубо воспроизводит несколько квантовых эффектов, включая траектории частиц в эксперименте с двумя щелями. При увеличении количества миров рисунок интерференции стремится к реальному. Поскольку предсказания теории разнятся в зависимости от количества миров, говорит Вайзман, можно проверить, права ли модель мультивёрса – то есть, что никакой волновой функции нет, а реальность работает по классическим законам.

Поскольку в этой модели волновая функция не нужна, она останется жизнеспособной, даже если будущие эксперименты исключат модели с «невежеством». Кроме неё выживут другие модели, например, копенгагенская интерпретация, которые утверждают, что нет объективной реальности, а есть лишь вычисления.

Но тогда, как говорит Уайт, этот вопрос и станет объектом изучения. И хотя пока никто не знает, как это сделать, «что было бы реально интересным, так это разработать тест, проверяющий, есть ли у нас вообще объективная реальность».

habr.com