Понедельник , 11 Май 2020

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

Содержание

Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика простыми словами

Микромир

Здравствуйте, дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, хотите стать 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.

Альберт Эйнштейн

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.

Интерференция 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.

Глубокий мир

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

Просто о квантовой запутанности / Habr

Квантовая запутанность – одно из самых сложных понятий в науке, но основные её принципы просты. А если понять её, запутанность открывает путь к лучшему пониманию таких понятий, как множественность миров в квантовой теории.

Чарующей аурой загадочности окутано понятие квантовой запутанности, а также (каким-то образом) связанное с ним требование квантовой теории о необходимости наличия «многих миров». И, тем не менее, по сути своей это научные идеи с приземлённым смыслом и конкретными применениями. Я хотел бы объяснить понятия запутанности и множества миров настолько просто и ясно, насколько знаю их сам.

I

Запутанность считается явлением, уникальным для квантовой механики – но это не так. На самом деле, для начала будет более понятным (хотя это и необычный подход) рассмотреть простую, не квантовую (классическую) версию запутанности. Это позволит нам отделить тонкости, связанные с самой запутанностью, от других странностей квантовой теории.

Запутанность появляется в ситуациях, в которых у нас есть частичная информация о состоянии двух систем. К примеру, нашими системами могут стать два объекта – назовём их каоны. «К» будет обозначать «классические» объекты. Но если вам очень хочется представлять себе что-то конкретное и приятное – представьте, что это пирожные.

Наши каоны будут иметь две формы, квадратную или круглую, и эти формы будут обозначать их возможные состояния. Тогда четырьмя возможными совместными состояниями двух каонов будут: (квадрат, квадрат), (квадрат, круг), (круг, квадрат), (круг, круг). В таблице указана вероятность нахождения системы в одном из четырёх перечисленных состояний.

Мы будем говорить, что каоны «независимы», если знание о состоянии одного из них не даёт нам информации о состоянии другого. И у этой таблицы есть такое свойство. Если первый каон (пирожное) квадратный, мы всё ещё не знаем форму второго. И наоборот, форма второго ничего не говорит нам о форме первого.

С другой стороны, мы скажем, что два каона запутаны, если информация об одном из них улучшает наши знания о другом. Вторая табличка покажет нам сильную запутанность. В этом случае, если первый каон будет круглым, мы будем знать, что второй тоже круглый. А если первый каон квадратный, то таким же будет и второй. Зная форму одного, мы однозначно определим форму другого.

Квантовая версия запутанности выглядит, по сути, также – это отсутствие независимости. В квантовой теории состояния описываются математическими объектами под названием волновая функция. Правила, объединяющие волновые функции с физическими возможностями, порождают очень интересные сложности, которые мы обсудим позже, но основное понятие о запутанном знании, которое мы продемонстрировали для классического случая, остаётся тем же.

Хотя пирожные нельзя считать квантовыми системами, запутанность квантовых систем возникает естественным путём – например, после столкновений частиц. На практике незапутанные (независимые) состояния можно считать редкими исключениями, поскольку при взаимодействии систем между ними возникают корреляции.

Рассмотрим, к примеру, молекулы. Они состоят из подсистем – конкретно, электронов и ядер. Минимальное энергетическое состояние молекулы, в котором она обычно и находится, представляет собой сильно запутанное состояние электронов и ядра, поскольку расположение этих составляющих частиц никак не будет независимым. При движении ядра электрон движется с ним.

Вернёмся к нашему примеру. Если мы запишем Φ■, Φ● как волновые функции, описывающие систему 1 в её квадратных или круглых состояниях и ψ■, ψ● для волновых функций, описывающих систему 2 в её квадратных или круглых состояниях, тогда в нашем рабочем примере все состояния можно описать, как:

Независимые: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Запутанные: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Независимую версию также можно записать, как:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Отметим, как в последнем случае скобки чётко разделяют первую и вторую системы на независимые части.

Существует множество способов создания запутанных состояний. Один из них – измерить составную систему, дающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы договорились быть одной формы, не зная при этом, какую именно форму они выбрали. Это понятие станет важным чуть позже.

Более характерные последствия квантовой запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают из-за её взаимодействия ещё с одним свойством квантовой теории под названием «принцип дополнительности». Для обсуждения EPR и GHZ позвольте мне сначала представить вам этот принцип.

До этого момента мы представляли, что каоны бывают двух форм (квадратные и круглые). Теперь представим, что ещё они бывают двух цветов – красного и синего. Рассматривая классические системы, например, пирожные, это дополнительное свойство означало бы, что каон может существовать в одном из четырёх возможных состояний: красный квадрат, красный круг, синий квадрат и синий круг.

Но квантовые пирожные – квантожные… Или квантоны… Ведут себя совсем по-другому. То, что квантон в каких-то ситуациях может обладать разной формой и цветом не обязательно означает, что он одновременно обладает как формой, так и цветом. Фактически, здравый смысл, которого требовал Эйнштейн от физической реальности, не соответствует экспериментальным фактам, что мы скоро увидим.

Мы можем измерить форму квантона, но при этом мы потеряем всю информацию о его цвете. Или мы можем измерить цвет, но потеряем информацию о его форме. Согласно квантовой теории, мы не можем одновременно измерить и форму и цвет. Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем. Это и есть суть принципа дополнительности, такая, как её сформулировал Нильс Бор.

В результате квантовая теория заставляет нас быть осмотрительными в приписывании свойствам физической реальности. Во избежание противоречий приходится признать, что:

Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему

II

Теперь опишем две образцовые, но не классические, иллюстрации странностей квантовой теории. Обе были проверены в строгих экспериментах (в реальных экспериментах люди меряют не формы и цвета пирожных, а угловые моменты электронов).

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (EPR) описали удивительный эффект, возникающий при запутанности двух квантовых систем. EPR-эффект объединяет особую, экспериментально достижимую форму квантовой запутанности с принципом дополнительности.

EPR-пара состоит из двух квантонов, у каждого из которых можно измерить форму или цвет (но не то и другое сразу). Предположим, что у нас есть множество таких пар, все они одинаковые, и мы можем выбирать, какие измерения мы проводим над их компонентами. Если мы измерим форму одного из членов EPR-пары, мы с одинаковой вероятностью получим квадрат или круг. Если измерим цвет, то с одинаковой вероятностью получим красный или синий.

Интересные эффекты, казавшиеся EPR парадоксальными, возникают, когда мы проводим измерения обоих членов пары. Когда мы меряем цвет обоих членов, или их форму, мы обнаруживаем, что результаты всегда совпадают. То есть, если мы обнаружим, что один из них красный и затем меряем цвет второго, мы также обнаруживаем, что он красный – и т.п. С другой стороны, если мы измеряем форму одного и цвет другого, никакой корреляции не наблюдается. То есть, если первый был квадратом, то второй с одинаковой вероятностью может быть синим или красным.

Согласно квантовой теории, мы получим такие результаты, даже если две системы будет разделять огромное расстояние и измерения будут проведены почти одновременно. Выбор типа измерений в одном месте, судя по всему, влияет на состояние системы в другом месте. Это «пугающее дальнодействие», как называл его Эйнштейн, по-видимому, требует передачу информации – в нашем случае, информации о проведённом измерении – со скоростью, превышающей скорость света.

Но так ли это? Пока я не узнаю, какой результат получили вы, я не знаю, чего ожидать мне. Я получаю полезную информацию, когда я узнаю ваш результат, а не когда вы проводите измерение. И любое сообщение, содержащее полученный вами результат, необходимо передать каким-либо физическим способом, медленнее скорости света.

При дальнейшем изучении парадокс ещё больше разрушается. Давайте рассмотрим состояние второй системы, если измерение первой дало красный цвет. Если мы решим мерить цвет второго квантона, мы получим красный. Но по принципу дополнительности, если мы решим измерить его форму, когда он находится в «красном» состоянии, у нас будут равные шансы на получение квадрата или круга. Поэтому, результат EPR логически предопределён. Это просто пересказ принципа дополнительности.

Нет парадокса и в том, что удалённые события коррелируют. Ведь если мы положим одну из двух перчаток из пары в коробки и отправим их в разные концы планеты, неудивительно, что посмотрев в одну коробку, я могу определить, на какую руку предназначена другая перчатка. Точно так же, во всех случаях корреляция пар EPR должна быть зафиксирована на них, когда они находятся рядом и потому они могут выдержать последующее разделение, будто бы имея память. Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.

III

Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Зейлингер открыли ещё один прекрасный пример квантовой запутанности. ОН включает три наших квантона, находящихся в специально подготовленном запутанном состоянии (GHZ-состоянии). Мы распределяем каждый из них разным удалённым экспериментаторам. Каждый из них выбирает, независимо и случайно, измерять ли цвет или форму и записывает результат. Эксперимент повторяют многократно, но всегда с тремя квантонами в GHZ-состоянии.

Каждый отдельно взятый экспериментатор получает случайные результаты. Измеряя форму квантона, он с равной вероятностью получает квадрат или круг; измеряя цвет квантона, он с равной вероятностью получает красный или синий. Пока всё обыденно.

Но когда экспериментаторы собираются вместе и сравнивают результаты, анализ показывает удивительный результат. Допустим, мы будем называть квадратную форму и красный цвет «добрыми», а круги и синий цвет – «злыми». Экспериментаторы обнаруживают, что если двое из них решили измерить форму, а третий – цвет, тогда либо 0, либо 2 результата измерений получаются «злыми» (т.е. круглыми или синими). Но если все трое решают измерить цвет, то либо 1 либо 3 измерения получаются злыми. Это предсказывает квантовая механика, и именно это и происходит.

Вопрос: количество зла чётное или нечётное? В разных измерениях реализовываются обе возможности. Нам приходится отказаться от этого вопроса. Не имеет смысла рассуждать о количестве зла в системе без связи с тем, как его измеряют. И это приводит к противоречиям.

Эффект GHZ, как описывает его физик Сидни Колман, это «оплеуха от квантовой механики». Он разрушает привычное, полученное из опыта ожидание того, что у физических систем есть предопределённые свойства, независимые от их измерения. Если бы это было так, то баланс доброго и злого не зависел бы от выбора типов измерений. После того, как вы примете существование GHZ-эффекта, вы его не забудете, а ваш кругозор будет расширен.

IV

Пока что мы рассуждаем о том, как запутанность не позволяет назначить уникальные независимые состояния нескольким квантонам. Такие же рассуждения применимы к изменениям одного квантона, происходящим со временем.

Мы говорим об «запутанных историях», когда системе невозможно присвоить определённое состояние в каждый момент времени. Так же, как в традиционной запутанности мы исключаем какие-то возможности, мы можем создать и запутанные истории, проводя измерения, собирающие частичную информацию о прошлых событиях. В простейших запутанных историях у нас есть один квантон, изучаемый нами в два разных момента времени. Мы можем представить ситуацию, когда мы определяем, что форма нашего квантона оба раза была квадратной, или круглой оба раза, но при этом остаются возможными обе ситуации. Это темпоральная квантовая аналогия простейшим вариантам запутанности, описанным ранее.

Используя более сложный протокол, мы можем добавить чуть-чуть дополнительности в эту систему, и описать ситуации, вызывающие «многомировое» свойство квантовой теории. Наш квантон можно подготовить в красном состоянии, а затем измерить и получить голубое. И как в предыдущих примерах, мы не можем на постоянной основе присвоить квантону свойство цвета в промежутке между двумя измерениями; нет у него и определённой формы. Такие истории реализовывают, ограниченным, но полностью контролируемым и точным способом, интуицию, свойственную картинке множественности миров в квантовой механике. Определённое состояние может разделиться на две противоречащие друг другу исторические траектории, которые затем снова соединяются.

Эрвин Шрёдингер, основатель квантовой теории, скептически относившийся к её правильности, подчёркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, измерение которых может дать чрезвычайно разные результаты. Его мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» постулирует, как известно, квантовую неопределённость, выведенную на уровень влияния на смертность кошачьих. До измерения коту невозможно присвоить свойство жизни (или смерти). Оба, или ни одно из них, существуют вместе в потустороннем мире возможностей.

Повседневный язык плохо приспособлен для объяснения квантовой дополнительности, в частности потому, что повседневный опыт её не включает. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, и другими предметами, совершенно по-разному, в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение проходит автоматически, и кот продолжает жить (или не жить). Но истории с запутанностью описывают квантоны, являющиеся котятами Шрёдингера. Их полное описание требует, чтобы мы принимали к рассмотрению две взаимоисключающие траектории свойств.

Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй – вещь деликатная, поскольку требует сбора частичной информации о квантонах. Обычные квантовые измерения обычно собирают всю информацию сразу – к примеру, определяют точную форму или точный цвет – вместо того, чтобы несколько раз получить частичную информацию. Но это можно сделать, хотя и с чрезвычайными техническими трудностями. Этим способом мы можем присвоить определённый математический и экспериментальный смысл распространению концепции «множественности миров» в квантовой теории, и продемонстрировать её реальность.

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

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(ZX)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

Запутанная квантовая физика / Habr

Феномен квантовой запутанности (entanglement), когда разделенные в пространстве частицы мистическим образом взаимодействуют друг с другом, нахально нарушая запрет на передачу взаимодействий со сверхсветовой скоростью, давно считается частью науки и у научного сообщества не вызывает никаких сомнений. Вполне серьезно изучаются перспективы создания на этой основе квантовых компьютеров. Считается, что их элементы данных — кубиты будут изменять и передавать свое информационное состояние посредством механизма квантовой запутанности. Такая прагматичная организация, как DARPA щедро финансирует эту чудесную науку. А между тем имеет серьезные основания точка зрения, согласно которой квантовая запутанность в смысле парадокса ЭПР — это миф, который прижился в поверхностном слое понимания квантовой механики.

Парадокс ЭПР


Эйнштейн предпринял атаку на квантовую механику со знаменем в руках, на котором было написано «Бог не играет в кости». В знаменитой статье [0], опубликованной в 1935-м, появился т.н. парадокс ЭПР (Эйнштейна, Подольского, Розена). Из этого парадокса, который на самом деле является софизмом, родился миф о квантовой запутанности.

Основная идея ЭПР, согласно статье его авторов, выглядит следующим образом. Пусть имеется пара квантовых объектов 1 и 2, образующих единую систему с волновой функцией , где наборы переменных и используются для описания поведения подсистем 1 и 2 в отдельности. Если задан полный набор собственных волновых функций для некоторых наблюдаемых системы 1, то функция разлагается в ряд Фурье:

Теперь предположим, что подсистемы удаляются друг от друга и через некоторое время расстояние между ними стало настолько большим, что взаимное влияние невозможно. Если затем измерить значения (коммутирующих) наблюдаемых системы 1, то, в силу принципов квантовой механики, она скачком перейдет в некоторое собственное состояние . В контексте запутанной парадигмы это событие имеет драматическое название «коллапс волновой функции». Следовательно, рассуждают далее авторы ЭПР, вся система в целом скачком переходит в состояние c волновой функцией . Это означает, что подсистема 2 внезапно оказалась в состоянии , хотя никакого воздействия подсистемы 1 и измерительных приборов на нее не было.

Перед нами главный эффект, с которым связано представление о нелокальности квантовой механики, а именно — непонятное и необъяснимое, мгновенное взаимодействие удаленных квантовых объектов 1 и 2. Оно заключается в том, что при измерении некоторых физических величин, связанных с системой 1, автоматически и сразу меняется состояние системы 2.

В приведенных рассуждениях есть сразу две ошибки. Первая заключается в том, что волновая функция , вообще говоря, не отвечает собственному состоянию объединенной системы. Поэтому последняя не обязана переходить в скачком при измерении, связанном только с системой 1. И все же возникает вопрос: в каком состоянии окажется подсистема 2 после измерения 1? Ответ прост и очевиден — ее состояние не изменится. В самом деле, поскольку в рассматриваемой ситуации объекты 1 и 2 независимы, то

где — волновая функция системы , рассматриваемой в отдельности. Следовательно, как только подсистема 1 оказалась в собственном состоянии , подсистема 2 автоматически оказывается в… своем исходном состоянии . Что и следовало ожидать!

Вторая ошибка заключается в том, что пара не взаимодействующих объектов 1 и 2, формально объединенных в единую систему, на самом деле не испытывает возмущения при измерении, которое связано лишь с подсистемой 1. Такое «возмущение» не способно вызвать скачок объединенной системы в одно из собственных состояний (полного набора коммутирующих наблюдаемых, полученного объединением наборов 1 и 2). Для этого нужно было бы возмутить всю систему в целом, т.е., реально подействовать также и на объект 2.

Таким образом, псевдопарадокс ЭПР лишь вынуждает нас уточнить понятие возмущения. Но вместо этого ему придают абсолютный и формальный смысл, как если бы взмах крыла бабочки считался возмущением Вселенной,… хотя с философской точки зрения так оно и есть. Выше дан точный ответ на вопрос, что именно происходит с подсистемой 2 после измерения 1. По существу ничего!

Из своего псевдопарадокса авторы ЭПР сделали далеко идущие выводы о неполноте квантовой механики, т.е. о том, что эта теория нуждается в дополнительных параметрах для описания квантовых систем. Параметрах, которые исключают всякую неопределенность и делают их поведение детерминированным в классическом духе. С точки зрения Эйнштейна наука пока просто не знает этих скрытых параметров и законов их поведения, поэтому ограничивается вероятностным характером квантовых прогнозов.

В популярных объяснениях эффекта квантовой запутанности пары частиц, после вольного изложения ЭПР всегда ссылаются на законы сохранения. Рассмотрим случай пары электронов. Рассуждать о сохранении импульса нет смысла, хотя часто приводится пример пары «запутанных» электронов с импульсами . Поскольку оператор импульса имеет непрерывный спектр, его собственные состояния практически не могут быть реализованы. Поэтому на квантовом уровне бессмысленно рассматривать пару электронов с импульсами . Таким образом, отбросим импульс в сторону и рассмотрим случай «запутанной» пары электронов с нулевой суммарной проекцией спина на ось Z (синглет).

Сохранение проекции спина означает, что для оператора проекции спина на ось Z имеет место , где — оператор энергии данной системы. В частности это означает, что если система первоначально находится в собственном состоянии оператора , то в дальнейшем, при отсутствии внешних возмущений она будет при каждом находиться в собственном состоянии наблюдаемой , хотя вектор состояния может изменяться во времени.

Для единственного электрона оператор имеет два собственных вектора, обозначим их и , так что

Предположим, что пара электронов первоначально находится в состоянии , где — любое комплексное число. Здесь вектор отвечает такому состоянию пары, что первый электрон находится в состоянии , а второй в состоянии . Состояние является собственным для спина системы из двух электронов, поэтому при измерении система останется в этом состоянии и будет получено нулевое значение для спина пары.

В процессе разбегания электронов в разные стороны спиновое состояние синглета не изменится, если система остается изолированной вплоть до момента первого измерения. Это означает, что при каждом пара электронов находится в состоянии , которое является собственным для оператора и отвечает собственному значению . Согласно популярным рассуждениям о паре запутанных электронов, при измерении спина одной из частиц произойдет скачок системы в собственное состояние оператора . Но согласно квантовой механике, поскольку система уже находится в собственном состоянии (полного набора коммутирующих наблюдаемых, включающего , она останется в нем после измерения. Соответственно, изменится разве лишь числовой множитель перед вектором .

Таким образом, перехода измеряемого электрона в состояние , а второго в состояние не произойдет. Получено противоречие с тем фактом, что измеряемый электрон все-таки перейдет в собственное состояние своего оператора . Отсюда следует, что при измерении спина одного из электронов совместное состояние синглета будет разрушено. При этом состояние второго электрона останется неизменным, т.е., неопределенным с точки зрения спина, а именно .

В рамках запутанной парадигмы также рассматривают пару фотонов в одинаковых состояниях поляризации, так что общее состояние пары можно задать вектором , где и задают состояния поляризации в перпендикулярных направлениях. Если при измерении одного из фотонов он перейдет в собственное состояние , то якобы это повлечет переход пары в состояние , т.е., мгновенный скачок второго фотона в такое же состояние поляризации . Однако, аналогично примеру с синглетом электронов можно утверждать, что пара фотонов останется в собственном состоянии . Это противоречие означает, что измерение одного из двух фотонов разрушает систему, после чего второй фотон остается в исходном состоянии . Запутанности в смысле ЭПР и здесь не возникает.


Неравенства Белла


В 1964 Джон Стюарт Белл написал интересную статью [1], в которой подверг критическому анализу гипотезу о скрытых параметрах. Эти, на удивление простые рассуждения Белла оказали большое влияние на развитие квантовой физики с конца XX века по настоящее время.

По ходу своих рассуждений Белл вывел неравенство , где — это единичные векторы различных направлений в пространстве, на которые проектируются спины двух разбегающихся в разные стороны частиц (электронов). Изначально частицы имеют нулевой суммарный спин, т.е. образуют синглет. При этом обозначает ненормированный коэффициент корреляции пары случайных величин и , являющихся проекциями спиновых переменных и частиц 1 и 2 на направления векторов и соответственно. Другими словами — это среднее значение произведения чисел и . Которые, заметим, принимают значения . Данное неравенство имеет место при условии, что верна гипотеза Эйнштейна о скрытых параметрах квантовой системы. И оно может быть проверено статистически. В дальнейшем были аналогично получены другие неравенства, которые применимы не только к синглетной паре электронов, и все они называются неравенствами Белла. Например такое:

Оно также справедливо лишь в том случае, если есть скрытые параметры квантовой системы, определяющие ее поведение. При этом, поскольку законы поведения этих параметров неизвестны, они считаются случайными величинами.

Для иллюстрации последнего утверждения, рассмотрим опыт с бросанием монеты. Понятно, что полет брошенной монеты определяется многими величинами, которые описывают ее форму, распределение массы, детальные условия броска, форму поверхности падения и другие факторы, от которых зависит ответ на вопрос: «орел или решка». При полном учете всех этих «скрытых параметров», которые Белл обозначает символом , можно было бы дать 100% надежный прогноз того, как именно упадет монета. Однако такой учет слишком сложен, и в этом нет большой необходимости, поэтому довольствуются вероятностным прогнозом того, как упадет монета. Соответственно, скрытые параметры следует считать случайными величинами. Вопрос: существуют ли аналогично скрытые параметры у любой квантовой системы, или же таких параметров нет, а стохастическое поведение субатомных объектов заложено в природе вещей?

В экспериментах с т.н. запутанными частицами, чаще всего фотонами, искомым результатом всегда является нарушение неравенства Белла. Такие нарушения в самом деле наблюдаются с конца 70-х годов прошлого века, и сегодня принято толковать их, как доказательства возникновения запутанных квантовых состояний. При этом значительные усилия экспериментаторов направлены на то, чтобы разнести на возможно большие расстояния приборы, которые регистрируют спины частиц или направления поляризации фотонов, чтобы исключить взаимное влияние объектов и приборов измерения. Сделав тем самым максимально убедительным эффект мгновенной передачи взаимодействий, положенный в основу фантазий о квантовой телепортации.

Однако в действительности, нарушение неравенств Белла означает одно из двух.

a) У квантовых систем нет скрытых параметров. Это полностью соответствует квантовой механике и не связано с запутанностью.

b) Скрытые параметры есть и тогда измерения одной из подсистем могут влиять на другую. Поэтому квантовая запутанность имеет место быть.

Соответственно нет оснований утверждать, что нарушения неравенств Белла экспериментально доказывают феномен ЭПР — запутанности. Разумно предположить, что они влекут за собой a), т.е., что квантовая механика не нуждается в скрытых параметрах и апгрейде в духе Бома. Однако, принято считать эти нарушения свидетельствами ЭПР — запутанности фотонных пар.

Данная парадигма сформировалась под влиянием работ Аспэ и других ученых, поставивших аналогичные эксперименты. Помимо несомненных нарушений неравенств Белла, в них якобы наблюдались корреляции между направлениями поляризации взаимно удаленных фотонов. Будь это так, для опытной проверки ЭПР — запутанности в неравенствах Белла не было бы необходимости. Стоит заметить, что сам Аспэ, судя по статье [1], считал свидетельством запутанности только корреляции. Но в действительности наблюдалась «корреляция» каждого фотона, попавшего в фотоумножитель, с самим собой. Точнее: он достигал двух фотоумножителей почти одновременно (см. ниже).

Опыт Аспэ


Опыт Алана Аспэ (Aspect) — блестящего экспериментатора и классика квантовой магии, внес основной вклад в трансформацию ЭПР — мифа в догму. Результаты опытов Аспэ и других были интерпретированы на основе представления о фотонах, как точечных частицах (с обычными оговорками о корпускулярно-волновом дуализме). Оно является ошибочным, т.к. у фотона нет представления Шредингера [2]. Говоря простым языком, для этих частиц понятие пространственных координат лишено смысла. Поэтому нельзя говорить о том, что в определенный момент времени фотон находится в определенном месте. Он может быть локализован в состоянии малого волнового пакета, но в этом случае поляризация теряет смысл.

В связи с этим уместно процитировать Дирака (P.A.M. Dirac, стр. 25 [2]).

"… Пусть мы имеем пучок света, состоящий из большого числа фотонов, который расщепляется на две компоненты одинаковой интенсивности. Сделав предположение о том, что интенсивность пучка связана с вероятным числом фотонов, мы получили бы, что в каждую из компонент попала бы половина от общего числа фотонов. Если далее эти две компоненты будут интерферировать, то мы должны потребовать, чтобы фотон из одной компоненты мог интерферировать с фотоном в другой компоненте. Иногда эти два фотона уничтожались бы, иногда же они превращались бы в четыре фотона. Это противоречило бы закону сохранения энергии. Новая теория, которая связывает волновую функцию с вероятностями для одного фотона, преодолевает эту трудность, считая, что каждый фотон входит отчасти в каждую из двух компонент. Тогда каждый фотон интерферирует лишь с самим собой. Интерференции между двумя разными фотонами никогда не происходит."

Аналогичная мысль звучит в цитате из Гейзенберга, которая касается парадокса ЭПР и имеет отношение к интерпретации опытов Аспэ (W. Heisenberg, стр. 34 [3]).

"В связи с этими рассуждениями здесь должно быть указано на мысленный эксперимент, предложенный Эйнштейном. Вообразим один световой квант, который представлен посредством волнового пакета, построенного из максвеллевских волн и которому, таким образом, приписана известная область пространства и, в смысле соотношений неопределенности, также определенная область частот. Посредством отражения от полупрозрачной пластинки мы можем очевидно легко разложить этот волновой пакет на две части: отраженную и прошедшую. Тогда существует определенная вероятность найти световой квант или в одной, или в другой части волнового пакета. Через достаточно долгое время обе части будут сколько угодно далеко удалены друг от друга. Если теперь посредством опыта будет установлено, что световой квант находится, положим, в отраженной части волнового пакета, то это одновременно даст, что вероятность нахождения светового кванта в другой части равна нулю. Опыт на месте отраженной половины пакета производит тем самым некоторое действие (сведение волнового пакета!) на сколь угодно удаленном расстоянии, где находится другая половина, и легко видеть, что это действие распространяется со сверхсветовой скоростью."

Таким образом, попытки обнаружить ЭПР — запутанные пары фотонов с помощью интерферометра лишены смысла. Допустим, мы разделили световой луч полупрозрачным зеркалом, после чего пропустили один пучок через поляризатор. Согласно парадигме ЭПР, возникают запутанные пары одинаково поляризованных фотонов из двух пучков. Это может быть проверено через интерференцию, но так как интерферировать каждый фотон будет с самим собой, совпадение измеренных в разных местах поляризаций не может быть истолковано, как ЭПР — запутанность.

Неявно предполагаемая возможность поляризации точечного фотона легла в основу ложной интерпретации опытов Аспэ. Начнем с краткого описания этих экспериментов (подробности в статье [1]).

Использовались флуоресцентные источники каскадного излучения, где атомы испускают пары квантов с интервалом нс. В первых опытах один из фотонов пары имел длину волны 551.3 нм (зеленый свет), а другой 422.7 нм (фиолетовый). Исходя из законов сохранения импульса и момента импульса считается, что в каждом каскаде фотоны разлетаются в разные стороны, имея одинаковые направления круговой поляризации — левое или правое с вероятностями 0.5, что равносильно пребыванию в суперпозиции двух состояний линейной поляризации в направлениях осей X и Y. Как полагают Аспэ и его последователи, эта пара квантов света рождается в запутанном, поляризационном состоянии:


Состояния , отвечают направлениям поляризации вдоль осей координат, состояния , — двум направлениям круговой поляризации фотона номер .

ЭПР — запутанность означает, что если один из фотонов будет обнаружен поляризованным вдоль оси X (для чего достаточно пропустить его через поляризатор с X — ориентацией), то второй автоматически, в то же мгновение окажется в том же состоянии (что можно обнаружить с помощью второго поляризатора). То же самое в отношении оси Y. В этом случае говорят о корреляции между направлениями поляризации фотонов запутанной пары, которую можно измерить.


Схема опыта Аспэ

На схеме пара лазеров возбуждает флуоресцентный источник каскадного излучения, который, по мысли Аспэ, излучает пары запутанных фотонов. Каждый из них проходит через свой поляризатор (Pol I и Pol II), после чего, пройдя через частотный фильтр, попадает в фотоумножитель (PM I и PM II). Последний, по существу, является детектором одиночных фотонов и работает по принципу электронной лавины, которую инициирует фотоэффект. Схема управления фотоумножителями организована так, что каждая пара квантов детектируется во временном окне около 20 нс. Попадание в него случайной пары фотонов от двух разных атомов маловероятно. Таким образом, схема почти наверняка зафиксирует только пару, излученную в одном каскаде. Происходит это в среднем 100 раз в секунду. Напомним, что каждая такая пара считается ЭПР — запутанной.

Если теперь за некоторый период времени подсчитать числа пар для случаев, когда один из поляризаторов («левый» или «правый») удален, то можно вычислить коэффициент корреляции между событиями поляризованности левого фотона в заданном направлении , а правого в направлении . Такие измерения позволяют проверить неравенства Белла, а также выявляют корреляцию между поляризациями фотонов каждой пары (для различных направлений и ). Именно это было сделано группой Аспэ.

Однако, в опыте Аспэ мог иметь место подсчет одиночных фотонов, которые достигали двух фотоумножителей в виде волн со сферическими фронтами (волновыми поверхностями). Согласно квантовой электродинамике [4], поле фотона с заданным моментом импульса распространяется именно в виде такой волны. Можно доказать, что эта волна приходит к каждому из двух поляризаторов в одинаковых фазах, хотя и в разные моменты времени в силу различной удаленности от излучателя. При этом угол между вектором напряженности поля и осью каждого поляризатора один и тот же для любой волновой поверхности. Поэтому волна одного фотона взаимодействует с двумя поляризаторами одинаково. Это и создает иллюзию пары частиц, запутанных в поляризациях.

На сказанное можно возразить, что счетчик фотонов срабатывает дважды в среднем через нс, как и должно быть при излучении каскадов. Однако, время срабатывания фотоумножителя элементарно оценивается нс. В течение этого времени может быть зафиксирован только один фотон. В действительности он является волновым пакетом, центрированным на сфере . Если размер пакета м, что отвечает допплеровскому уширению спектральной линии , то время прохождения через фотоумножитель имеет порядок интервала между фотонами одного каскада. В условиях опытов Аспэ такое уширение было возможно. Таким образом, до срабатывания пары фотоумножителей на первом фотоне второй не мог быть детектирован, а к моменту, когда оба устройства готовы принять второй фотон, его пакет уже прошел. По-видимому, в большинстве случаев пара фотоумножителей фиксировала только один из двух фотонов каждого каскада.

Заметим также, что в рассматриваемом состоянии направление движения фотона не определено. Это связано с тем, что импульс и его момент не коммутируют. Следовательно, аналогии с классической механикой, которые используются в качестве причины запутанного состояния пары фотонов, в данном случае неуместны. Кроме того, излучение фотона сопровождается возмущением. После него атом окажется не в состоянии с нулевым моментом, а в суперпозиции собственных состояний момента. Таким образом, законы сохранения не влекут состояние пары фотонов одного каскада вида

За время излучения расстояние между фотонами пары составит м. Идея о том, что такая пара рождается запутанной, противоречит здравому смыслу. Впрочем, последнее относится ко всей квантовой магии.

Таким образом, результаты опытов Аспэ имеют интерпретацию, которая не связана с ЭПР — запутанностью. Необходимы более точные оценки, но уже есть основания предполагать, что в этих экспериментах совместные, ЭПР — запутанные состояния не наблюдались. По-видимому, подобным образом можно объяснить все опыты с т.н. запутанными фотонами.

Представления о запутанных состояниях взаимно удаленных частиц, восходящие к парадоксу ЭПР, широко популяризованы и уже считаются частью квантовой механики. Одной из целей данной статьи было показать, что фундамента под этим нет. Мыльный пузырь на иллюстрации символизирует волновой фронт фотона с заданным угловым моментом, а также теорию квантовых компьютеров, основанную на ЭПР — запутанности.

Ссылки0. Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete,

1. A. Aspect. Bell's theorem: the naive view of an experimentalist, in Quantum [Un]speakables — From Bell to Quantum information, 2002, R. A. Bertlmann and A. Zeilinger, Springer.

2. П.А.М. Дирак. Принципы квантовой механики, 1960, Москва: Физматгиз (перевод английского издания P.A.M. Dirac. The principles of quantum mechanics, 1958, Oxford: Clarendon press), 1932).

3. В. Гейзенберг. Физические принципы квантовой теории, Москва: ГТТИ (перевод немецкого издания W. Heisenberg: Die Physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, 1930, Leipzig).

4. В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский. Квантовая электродинамика, Москва: Наука, 1989.

habr.com

Квантовая информация в квантовом сознании / Habr

Принято считать, что физик-аспирант не должен касаться некоторых научных задач даже самым кончиком длинного копья — в особенности это относится к пробелам в основаниях квантовой теории. Эти задачи столь сложны, что нет ни малейшего шанса на прогресс. Эти задачи столь туманны, что нет ни малейшего шанса убедить кого-либо обратить внимание на прогресс. Пример такой задачи — роль квантовой физики в формировании сознания.


Credit: dailygalaxy.com

Disclaimer! От переводчика: я перевел этот пост в попытках разобраться в идее. Сама концепция достаточно спорная, и не все моменты ясны (или недостаточно полны) в оригинале. Не беру на себя ответственность домышлять оригинал и оставляю пост в качестве отправной точки для ваших размышлений и обсуждений.

На Хабре уже был пост про идею Фишера, но услышать объяснения от действующих лиц (авторов) всегда любопытно. Некоторые места адаптированы, добавлены ссылки.

На самом деле, мы знаем, что квантовая физика точно играет роль в нашем сознании: законы квантовой физики позволяют атомам оставаться стабильными, а распавшиеся атомы точно не смогут влиять на сознание.

Но большинство физиков уверены, что полезная квантовая запутанность не может существовать в мозге. Запутанность проявляется в квантовых корреляциях между квантовыми системами, которые сильнее, чем любые достижимые в классических системах. Запутанность распадается очень быстро в горячих, влажных и шумных средах.
А мозг является как раз такой средой. Представьте, что вы поместите запутанные молекулы А и Б в чей-то мозг. Вода, ионы и другие частицы будут сталкиваться с этими молекулами. Чем выше температура среды, тем больше столкновений. Частицы среды будут запутываться с молекулами А и Б через электромагнитное взаимодействие. Чем больше А запутывается со средой, тем меньше А может оставаться запутанной с Б. В конечном итоге А окажется слегка запутанной со множеством частиц среды. А такую слабую запутанность не получится использовать для каких-то полезных вычислений. Так что кажется, что квантовая физика вряд ли может значительно влиять на сознание.


Не трожь

Тем не менее, мой научный руководитель, Джон Прескилл, предложил подумать, не будет ли мне интересно поработать над этой темой.

Попробуй совсем новую тему, — сказал он, — рискни. Если не получится, ну и ладно. Все равно от аспирантов много не ждут. Ты видела статью Мэттью Фишера о квантовом сознании?

Мэттью Фишер — физик-теоретик в университете Калифорнии в Санта-Барбаре. Он восхваляем и почитаем, в особенности за его работы о сверхпроводниках. Пару лет назад Мэттью заинтересовался в биохимии. Он знал, конечно, что большинство физиков сомневаются в участии квантовых процессов в формировании сознания. Но что если бы это было не так, подумал он, как бы они могли поучаствовать? Подумал — и в 2015 написал статью в Анналы Физики, в которой при помощи обратной разработки предложил вариант квантового сознания.

Аспирант ни в коем случае не должен касаться таких задач, даже трехметровой радиоантенной, утверждает здравый смысл. Но я доверяю Джону Прескиллу как никому другому на Земле.
Я посмотрю на статью, сказала я.

Мэттью предположил, что квантовая физика может влиять на сознание следующим образом (прим.пер. также статья на хабре). Экспериментаторы уже производили квантовые вычисления используя одну горячую, мокрую и случайную систему: в ядерном магнитном резонансе (ЯМР). ЯМР используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ) для получения изображений человеческого мозга. Стандартная ЯМР система состоит из молекул жидкости при высокой температуре. Молекулы в свою очередь состоят из атомов, чьи ядра обладают квантовым свойством, называемым спин. Спины ядер могут кодировать квантовую информацию (КИ).

Мэттью рассуждал: что может помешать спинам ядер хранить квантовую информацию в нашем мозгу? Он составил список вещей, которые могут разрушить квантовую информацию, и пришел к заключению, что ионы водорода представляют наибольшую угрозу. Они могут запутываться со спинами (и приводить к декогеренции) через диполь-дипольное взаимодействие.

Как спин может избежать этой угрозы? Например, спин величиной обнулит электрический квадрупольный момент ядра,  квадрупольные взаимодействия не смогут привести к декогеренции такого спина. А в каких атомах в нашем теле спин равняется ? В водороде и фосфоре. Только водород подвержен другим источникам декогеренции, так что Мэттью пришел к заключению, что атомы фосфора могут хранить КИ в нашем мозгу, при этом спины ядра фосфора работают как кубиты (квантовые биты).

От электрических взаимодействий фосфор защищен, а как насчет магнитных диполь-дипольных взаимодействий? Такие взаимодействия зависят от ориентации спинов относительно их положения в пространстве. Если фосфор является частью маленькой молекулы, болтающейся в биологической жидкости, положение ядра меняется случайным образом, и в среднем взаимодействие окажется нулевым.

В молекулах есть и другие атомы помимо фосфора. Ядра этих атомов могут взаимодействовать со спином фосфора, и разрушать его квантовое состояние. Этого не произойдет только в одном случае: когда все спины этих ядер равны нулю. В каких атомах в теле человека спины ядра равны нулю? В кислороде и кальции. Так что фосфор окажется защищенным от взаимодействия с другими атомами в молекулах с кальцием и кислородом.

Мэттью предложил свой вариант молекулы, которая бы защищала фосфор от декогеренции. А потом обнаружил, что такая молекула действительно описана в научной литературе. Молекула под названием кластер Познера или молекула Познера (я буду называть ее Познер для краткости). Познеры могут существовать в искусственных биожидкостях — жидкостях, созданных для имитации жидкостей внутри нас. Считается, что Познеры могут существовать в наших телах и участвовать в образовании костей. Мэттью оценивает, что Познеры могут защищать спины фосфора от декогеренции на протяжении 1-10 дней.


Молекула Познера (image courtesy of Swift et al.)

Но как Познеры могут влиять на сознание? Мэттью предложил следующий вариант. Молекула аденозина трифосфата (АТФ) является источником энергии для биохимических реакций. «Трифосфат» значит, что в ней три иона фосфата — соединения , состоящего из одного атома фосфора и трех атомов кислорода. Два фосфата могут отделиться от молекулы АТФ, оставаясь соединенными друг с другом.

Пара фосфатов будет дрейфовать, пока не встретит фермент под названием пирофосфатаза. Этот фермент может разделить пару фосфатов на два независимых фосфата. При этом, как предположил Мэттью вместе с Лео Раджиховским, спины ядер фосфора проецируются в синглетное состояние , которое является состоянием с максимальной запутанностью.

Представьте себе множество фосфатов в биожидкости. Шесть фосфатов могут объединиться с девятью ионами кальция и образовать молекулу Познера. Каждый Познер может обладать шестью общими синглетами с другими Познерами — так образуются целые облака запутанных молекул Познера.
Один сгусток Познеров может попасть в один нейрон, в то время как другой сгусток — в другой нейрон. Познеры могут быть перенесены через клеточные мембраны белком VGLUT (BNPI). Так два нейрона оказываются также запутанными. Представьте два Познера, P и Q, сближающихся в нейроне N. Вычисления квантовой химии показывают, что эти Познеры могут объединиться друг с другом. Допустим, P был запутан с Познером P’ в нейроне N’. Если P и Q объединились в нейроне N, запутанность между P и P’ позволит увеличить вероятность объединения P’ и Q’.

Объединенные Познеры будут передвигаться медленно — им придется преодолевать сопротивление воды. Водород и магний могут замещать кальций в Познерах, разбивая молекулы. Фосфаты с отрицательным зарядом будут притягивать положительно заряженные и , точно так же, как фосфаты притягивают . Освобожденный кальций будет заполнять нейроны N и N’. Повышение концентрации кальция приводит к возникновению химического потенциала на аксоне и высвобождению нейромедиаторов, передающих сигнал между двумя нейронами. Если два нейрона N и N’ оказываются запутанными через молекулы Познера, два нейрона могут зажечься одновременно.
 

Мы не знаем, работает ли механизм, предложенный Мэттью, в нашем мозгу. Однако, в прошлом году Heising-Simons Foundation выделила Мэттью и коллегам 1.2 миллиона долларов на эксперименты.

Джон Прескилл сказал мне: допустим, идея Мэттью верна хотя бы частично, и молекулы Познера действительно могут хранить квантовую информацию. Квантовые системы обрабатывают информацию иначе, нежели классические системы. Как быстро смогут Познеры обрабатывать квантовую информацию?
Я выбросила мое копье на пятом году аспирантуры, и отправилась из Калтеха на пятимесячную стажировку, зарекшись вернуться со статьей, отвечающей на вопрос Джона. И я так и сделала: статья была опубликована в Анналах Физики в этом месяце.

К счастью, я смогла заинтересовать Элизабет Кроссон в моем проекте. Элизабет, ныне ассистент профессора в Университете Нью Мексико, в то время работала постдоком в группе Джона. Мы обе занимались теорией квантовой информации, однако наша квалификация, способности и сильные стороны различались. Мы дополняли друг друга, обладая одинаковым упрямством, которое заставляло нас продолжать слать письма и обмениваться сообщениями днем и ночью.

Элизабет и я перевели идеи Мэттью с языка биохимии на математический язык теории КИ. Мы разделили нарратив Мэттью на последовательность биохимических шагов, и выяснили как каждый из этих шагов будет преобразовывать КИ, записанную в ядра фосфора. Каждое преобразование мы представили в виде уравнения и элемента блок-схемы (элементы блок-схемы — изображения, которые можно составлять вместе для создания схем работающих алгоритмов). Этот набор преобразований мы назвали операциями Познера.

Представьте, что вы можете произвести операции Познера, приготавливая молекулы, пытаясь соединить их, и т.п. Как вы можете обрабатывать КИ с помощью таких операций? Элизабет и я нашли применения в квантовой передаче сообщений, квантовой регистрации ошибок и квантовых вычислениях. Наше результаты основываются на одном предположении — возможно, ошибочном, — что Мэттью сделал верные заключения. Мы характеризовали, что можно достичь Познерами, если ими активно управлять, хотя в биожидкостях их направляли бы случайные воздействия. Но это по крайней мере хорошая отправная точка для дальнейших исследований.

Мы обнаружили несколько КИ эффектов, которые могут быть реализованы с молекулами Познера. Во-первых, КИ может быть телепортирована от одного Познера к другому, но при этом возникает шум. Его природа в эффективном измерении, которое выполняют Познеры друг на друге при объединении. Это измерение преобразует подпрострнаство Гильбертова пространства двух Познеров через грубое измерение Белла. Измерение Белла дает один из четырех возможных исходов, или двух битов. Если один из битов отбросить, результат измерения будет грубым. Квантовая телепортация требует измерения Белла, и огрубление этого измерения приводит к шумам.

Такая зашумленная телепортация также называется сверхплотным кодированием. Битом называется случайный параметр, принимающий одно из двух значений, а «тритом» — случайный параметр, который может принять одно из трех возможных значений. Трит может быть эффективно телепортирован от одного Познера к другому с помощью запутанности, если напрямую передать между ними один бит.

Во-вторых, Мэттью утверждал, что структура Познера защищает КИ от декогеренции. Ученые разработали программы коррекции и обнаружения ошибок для защиты КИ от декогеренции. Могут ли Познеры реализовать такие программы в нашей модели? Оказывается, что да: Элизабет и я (с помощью бывшего постдока из Калтеха Фернандо Паставски) разработали программу для обнаружения ошибок, которая может работать на Познерах. Один Познер кодирует логический кутрит (квантовая версия трита), и код обнаруживает любую ошибку, которая возникает в одном из шести кубитов в Познере.

В-третьих, насколько сложным может быть квантовое состояние, которое можно приготовить с помощью операций Познера? Довольно сложным, как мы обнаружили: предположим, вы можете измерить это состояние локально так, что результаты предыдущих измерений будут влиять на измерения в будущем. Вы можете произвести любое квантовое вычисление. То есть, операции Познера позволяет приготовить состояние, которое может быть использовано для создания универсального квантового компьютера.

Наконец, мы нашли численную оценку на влияние запутанности на скорость объединения Познеров. Представьте, что вы приготовили два Познера P и P’, которые запутаны только с другими частицами. Если Познеры сближаются с правильной ориентацией, вероятность их объединения в нашей моделе оказывается равной 33.6%. А если каждый кубит в P максимально запутан с кубитом в P’, вероятность объединения возрастает до 100%.


Элизабет и я представляем процесс, описанный Мэттью в статье 2015 года, в виде блок-схем.

Я боялась, что другие ученые засмеют нашу работу как безумную. К моему удивлению, ее восприняли с энтузиазмом: коллеги хвалили рискованность исследований в новом направлении. Кроме того, наша работа совсем не безумна: мы не утверждаем, что квантовая физика влияет на сознание. Мы основываемся на предположениях Мэттью, отмечая, что они могут быть ошибочными, и исследуем последствия его предположений. Мы не биохимики, и не экспериментаторы, так что ограничиваемся только утверждениями в теории КИ.

Возможно, Познеры не могут сохранить когерентность достаточно долго для использования квантовых эффектов в обработке информации. Поставят ли ошибки Мэттью крест на наших исследованиях? Нет. Познеры побудили нас к идеям и вопросам в теории КИ. Например, наши квантовые схемы иллюстрируют взаимодействия (унитарные гейты) и измерения, производимые объединяющимися Познерами. Эти схемы частично стали мотивацией к появлению новой области исследований, возникшей прошлым летом и теперь набирающей обороты. Возьмем случайные унитарные гейты, перемежаемые измерениями. Унитарные взаимодействия запутывают кубиты, а измерения — разрушают запутанность. Какое из влияний окажется более значимым? Перейдет ли система из состояния «в значительной части запутана» к «в значительной части не запутана» при заданной частоте измерений? Исследователи из Santa Barbara и Colorado; MIT; Oxford; Lancaster, UK; Berkeley; Stanford; и Princeton занялись этим вопросом.  

Физик-асприант, как принято считать, не должен касаться квантового сознания даже алебардой Швейцарского гвардейца. Но я рада, что я попыталась: я многому научилась, сделала вклад в науку, и это было приключением. А если кто-то не одобряет такой дерзости, я могу винить Джона Прескилла.

Статью «Quantum information in the Posner model of quantum cognition» можно найти здесь. Версия для arXiv здесь, а здесь — доклад о статье.

habr.com

Квантовая психология: Базовые принципы

Экология сознания: Жизнь. Человек обладает квантовым сознанием, находящимся в процессе непрерывной эволюции и согласованным с процессами эволюции человечества в целом. К этому процессу можно отнести и гармонизацию человека, проявляющуюся в стремлении согласовать его ментальные процессы и физические состояния с окружающей действительностью вселенского масштаба.

В начале ХХ века появилась удивительная теория физической науки – квантовая механика. Несмотря на то, что даже сегодня ее выводы трудны как для подтверждения, так и для опровержения, в силу своей неоднозначности и уникальных парадоксов она вынуждает великие умы заниматься поиском ответов на вопросы о том, как устроена Вселенная и материя, как разум и сознание человека воздействуют на квантовые системы и объективную реальность.

По этой причине квантовой теории выделяется особое место среди прочих физических теорий. Но обусловлено это еще и переменами, которые привнесла эта теория в понимание и восприятие окружающего мира. Сегодня многим исследователям приходится искать ответы на физические, психологические, философские и метафизические вопросы.

Что такое квантовая психология

Квантовая механика в корне меняет представление человека о мироздании, но большинство ее аспектов остаются непонятными. И чтобы понять суть взглядов на природу человеческого сознания и бытия с точки зрения квантовой психологии, сначала нужно поговорить именно о механике.

Квантовая механика

С позиции квантовой механики и ее видения реальности, человек – это не просто живой материальный механизм, но сложноорганизованное и взаимосвязанное существо с уникальной природой, простирающейся через время и пространство.

Квантовая психология: Базовые принципы

Рассматривая человека именно так, есть повод утверждать, что все наши мысли, поступки и действия оказывают влияние и на нас, и на среду, в которой мы живем.

Сложнейшая и имеющая множество уровней организация Вселенной управляется своими законами. Классическая механика описывает материальные явления с помощью законов Ньютона. Но если мы перейдем на атомный и субатомный уровни, то сразу же столкнемся с законами квантовой механики. Чтобы понять их смысл было проще, стоит рассмотреть несколько наиболее важных особенностей квантово-механических явлений:

  • Нелокальность и целостность. Квантовые состояния двух и более объектов взаимосвязаны. И эта взаимосвязь способна сохраняться, даже если между объектами огромные расстояния. Это явление, кстати, является одним из известных логических парадоксов – парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена.
  • Влияние наблюдателя и условий наблюдения на квантовые явления. При измерении квантовых явлений проявляется редукция волновой функции, когда многообразие состояний (до измерения частица пребывает в любых возможных состояниях одновременно) переходит к одному состоянию. Простыми словами об этом написано в нашей статье «Кот Шредингера».
  • Динамика квантовых явлений. В силу вступают такие процессы как возникновение, распад и уничтожение частицы, а также рождение виртуальных частиц.

Современная наука вынуждена создавать междисциплинарный подход, что приводит к необходимости сближения разных направлений. Так, естествознание, философия, химия, биология и медицина начинают объединяться вокруг физики, что позволяет составить более полноценную картину мира.

Но здесь крайне важно конкретно психологическое знание, ведь все упомянутые области, так или иначе, связаны с психологией и обладают общими психологическими корнями. Наука в целом связана с актами субъективного восприятия составляющих ее феноменов, а восприятие обусловлено ощущениями, которые самым прямым образом относятся к сфере психологии.

Одна из наиболее актуальных проблем квантовой механики, особо значимая для психологии, состоит во взаимоотношениях и разграничении субъекта и объекта познания, сознания и материи.

исследователи полагают, что такое разделение несправедливо, и рождение квантово-механической реальности происходит тогда, когда она взаимодействует с наблюдателем, и человек вообще является творцом природы.

Другие считают, что о квантово-механической реальности не может быть и речи, и значение имеют лишь данные квантовых систем, которые удалось зарегистрировать эмпирическим путем. Данная проблема активно обсуждается учеными и сейчас.

Несмотря на это, есть и общее во взглядах на реальность. Мир предстает как нечто неделимое и целостное. Пространство же является конструкцией, которая предлагает разуму человека иллюзию обособленности объективной реальности.

В действительности же это не так, и эта особенность квантовой механики идет вразрез с нашим привычным опытом. Но это же создает и фундамент для рассмотрения сознания и мозга человека с позиций квантовой механики.

Чтобы лучше уяснить смысл всего вышесказанного, предлагаем вам посмотреть 25-минутное, но очень любопытное видео на эту тему.

Квантовое сознание и квантовый мозг

На сегодняшний день можно найти немало интересных подходов и разработок, пытающихся объяснить работу центральной нервной системы и процессов, происходящих в нейронах, с точки зрения квантовой механики.

Мозг представляется нейро-квантовым компьютером. Важная его особенность состоит в том, что он по своей природе способен создавать неделимые целостные образы, в которых отражается содержание мыслительных процессов. И это как раз и говорит о его квантовых способностях. Пионерами в этой области стали ученые Стюарт Хамерофф и Роджер Пенроуз. Благодаря их теории квантового нейрокомпьютинга с 1995 года стали более детально изучаться на квантовом уровне нейрофизиологические процессы.

Появилось предположение, что когда нейроны мозга достигают конкретного уровня суперпозиции, появляется сознание: все, способные быть, состояния нейронов приводятся к одному состоянию. Но здесь основное значение имеет квантовая гравитация, и исключительно с ее помощью создаются целостные представления, мысли и образы; исключительно она представляет собой естественную форму работы сознания.

Беря во внимание это положение, можно сказать, что все мысли обусловлены определенными положениями нейронов и их сетей. Причем они касаются не только отдельных мыслительных актов, но и всей психики вообще.

С помощью этого механизма можно описать любой выбор, совершаемый сознанием, т.к. оно выбирает какой-то один вариант из многообразия вариантов и образов действительности, которые хранятся в области бессознательного в опыте человека.

Важно заметить, что упомянутая нами выше теория квантового нейрокомпьютинга ставит акцент на значении особых микротубул. Они представляют собой белковые образования и составляют цитоскелет мозговых нейронов, являются самоорганизующимися системами, принимающими участие в возникновении и организации квантовых колебаний мозга.

Миткротубулы помогают организовывать и регулировать синаптические связи и высвобождать нейромедиаторы, передавать информацию между клетками и перерабатывать ее. Они вступают в межклеточное взаимодействие и организуют целостные клеточные структуры. Но интереснее всего то, что эти микротубулы пустые внутри, а значит, наши представления о реальности рождаются, можно сказать, из пустоты.

Опираясь на эти данные, современные ученые предлагают очень необычные футуристические прогнозы на тему развития квантовой фармакологии.

В частности, они говорят, что в обозримом будущем появятся возможности для более эффективного лечения психических расстройств и даже для изменения реальности, воспринимаемой человеком, на альтернативную, причем достаточно будет для этого всего одной таблетки.

За работу квантового вероятностного мышления в большей степени отвечает правое полушарие головного мозга. Выдающиеся исследования в этой области были проведены американским нейропсихологом Роджером Сперри, изучавшим деятельность полушарий мозга. В 1981 году за свои изыскания он получил Нобелевскую премию.

Работа Сперри показала, что правое полушарие отвечает за бессознательное, чувственное, интуитивное и нелинейное мышление. Оно не ощущает видимых причинно-следственных связей, из чего вытекает состояние неопределенности будущего, т.к. реализоваться могут совершенно разные непредсказуемые случайности.

Сознание сразу видит возможные варианты развития событий, и осуществляет выбор на основе интуиции. И это прекрасно сходится с парадоксами квантовой механики.

В мозге насчитывается примерно 100 миллиардов нейронов, отчего становится очевидным его невероятный созидательный и творческий потенциал.

Однако было бы неверно соотносить сознание лишь со структурой мозга, т.к. это мгновенно вернуло бы нас к идеям материализма, и напрочь отсекло идеи идеализма и дуализма.

В действительности это очень сложная проблема, и ответить на вопрос, является ли такое положение вещей чем-то непостижимым для понимания или фундаментальным образованием Вселенной, невозможно, по крайней мере, пока.

Попытки создать обобщенную и формализованную теоретическую модель сознания до сих пор успехом не увенчались. И нельзя сказать однозначно: может ли вообще быть создана подобная модель. Т.к. человек сам есть носитель сознания, для познания этого сознания нужно перейти на более высокий уровень сознательности.

Эти и другие неординарные особенности квантовой механики, а также ее «мистическая» связь с человеческим сознанием и его воздействием на квантовые системы, а также прочие парадоксы послужили предпосылкой для зарождения новейшего научного направления –квантовой психологии.

Квантовая психология: Базовые принципы

Квантовая психология

Квантовая психология – это сравнительно молодое направление.

Вообще, понятие «квантовая психология» появилось в 90-х годах прошлого столетия. Изучением этого вопроса занимались такие выдающиеся ученые как Кристи Л. Кеннен, Стефен Волински и Роберт Уилсон. «Квантовая психология» последнего стала бестселлером, заслужившим мировую известность. А что касается отечественных исследователей, то здесь можно выделить Михаила Заречного, Андрея Нефедова, Сергея Доронина, Николая Дерябина и других.

Квантовая психология, невзирая на свою молодость, стала все глубже проникать в жизнь современного человека. Сегодня под ней понимается направление психологии, изучающее реальность как неотделимую от коллективного и индивидуального сознания, а также исследующее возможность воздействия не только мира на человека, но и человека на мир. Кстати, если вы читали «Трансерфинг реальности» Вадима Зеланда или слышали о нем, знайте, что он входит в число направлений квантовой психологии.

Всего можно выделить четыре базовых принципа, на которых основывается квантовая психология:

  • Человек является квантом интеллектуальной системы Вселенной, и их процессы и алгоритмы эволюционного развития взаимосвязаны
  • Вселенная и ее интеллектуальные системы меньшего порядка подчинены стратегическому управлению и непрекращающемуся процессу поддержки на каждом этапе жизненного цикла
  • Человек – это упорядоченная наносистема, в которой протекают свои нанопроцессы, состоящие из вещества и энергоинформационных компонентов
  • Информационное общество как эволюционный этап развития человечества на Земле основано на сингулярности сознания человека, базирующейся на единстве и взаимосвязи вещества и энергии во Вселенной (включая процессы трансформации и преобразования)

Исходя из того, что квантовая психология строится на открытиях и феноменах из области квантовой механики, человеческая личность и материя, которая его окружает, рассматриваются в качестве неделимой единой вселенской системы.

Базовые принципы квантовой психологии указывают на то, что есть скрытый от человека слой реальности. Его нельзя потрогать или увидеть, но он служит основой субатомного единства. И здесь прослеживается явная взаимосвязь с коллективным бессознательным, о котором все мы знаем благодаря трудам Карла Густава Юнга. Таким образом, есть смысл говорить о существовании человека одновременно в разных реальностях.

Первая реальность – это реальность объектов, которую мы видим. Также есть реальность макроскопическая и реальность атомов и атомных ядер.

Это разные миры, подчиняющиеся своим законам и своему языку, но эти миры взаимодействуют друг с другом.

Как известно, люди состоят из невероятного количества атомов, в то же время этими атомами и являясь.

А если вспомнить положение о всеобщем единстве, открытом физиками, получается, что мы являемся одним целым с миром, в котором живем. Даже Альберт Эйнштейн говорил о том, что человек есть часть целого, называемого Вселенной.

Но принципы квантовой механики можно применить и к психодиагностике человека, в которой представления о личности имеют много общего с представлениями о квантовых системах.

К примеру, любое психическое состояние в конкретных условиях, можно представить в виде той самой редукции волновой функции. Соответственно, о личности нельзя говорить, как о статичном образовании.

Какие-либо личностные черты могут проявляться в зависимости от состояния человека и воздействия, оказываемого на него окружающей средой. Получается, что при изменении условий можно получать и разные личностные характеристики. Если же учесть принцип суперпозиции, то до начала измерений мы не можем с уверенностью судить о состоянии человека.

Еще раз напомним, что об этом (и многом другом) подробно рассказывает в своей работе «Квантовая психология» Роберт Уилсон, и мы рекомендуем вам с ней познакомиться. Кстати, вот небольшое видео, в котором этот человек, признанный авторитетом в данной области, рассказывает о квантовой психологии.

Представления квантовой психологии указывают на то, что человек обладает квантовым сознанием, находящимся в процессе непрерывной эволюции и согласованным с процессами эволюции человечества в целом.

К этому процессу можно отнести и гармонизацию человека, проявляющуюся в стремлении согласовать его ментальные процессы и физические состояния с окружающей действительностью вселенского масштаба.

Еще в 70-х годах 20 века советский кибернетик и математик Владимир Чавчанидзе говорил, что человеческое сознание является особым видом энергоинформационной материи, которое необходимо описывать с помощью квантовой теории.

Эти сознания управляются взаимосвязанными волнами, а объединение сознаний приводит к созданию масштабных энергоинформационных сущностей, влияющих на эволюции человечества.

Обобщая вышесказанное, можно сказать о нескольких задачах, которые должна стремиться решать квантовая психология:

  • Определять свои частные и общие закономерности
  • Разрабатывать свой теоретико-методологический аппарат
  • Обосновывать свой научный статус и место среди прочих направлений науки
  • Разрабатывать свои методы исследования и решения практических задач
  • Освещать с научной точки зрения квантово-психологические принципы, позволяющие понять глубинную природу мира и место человека в нем
  • Выявлять ключевые процессы сознания и устанавливать их роль в устройстве мироздания
  • Разрабатывать способы психотерапевтической помощи и способствовать раскрытию внутреннего потенциала человека
  • Разрабатывать квантово-психологические эталоны развития человека во взаимосвязи с Вселенной

Не менее важно отметить также, что интерес к квантовой механике и развитие квантовой психологии привели к тому, что внимание ученых все больше фокусируется на изучении современных электронных технологий и использовании в их основе квантовых законов. Уже сегодня созданы механизмы, работающие по этому принципу.

С их помощью изучается мозг и его активность, а получаемые данные способствуют созданию новых научных положений, касающихся и психологии. Вместе с этим квантовая терапия, применяющая специализированные приборы, начинает применяться и в психиатрии.

Квантовая психотерапия

Как и следует понимать, квантовая психотерапия – производная квантовой психологии. Это еще более молодое направление, и развивается оно вместе с квантово-психологической наукой.

Основывается квантово-психотерапевтическая помощь на стремлении раскрыть подавляемый и скрытый ограниченным мышлением и поведенческими шаблонами потенциал человека. Целью же является помощь людям в поиске своего истинного предназначения, формировании нового взгляда на субъективную действительность и понимании своей истинной сущности.

Это вполне возможно, но только в том случае, когда человек начинает в полной мере осознавать свой жизненный опыт и глубже всматриваться в свою индивидуальность, стремясь понять единство всего во Вселенной.

Это позволяет выйти за пределы стандартного мышления, сформированного нейроструктурами мозга, и по-новому посмотреть на себя, свои проблемы и мир вокруг. Предыдущая концепция жизнеустройства переходит на качественно новый уровень.

Можно сказать, что квантовая психотерапия предлагает человеку возможность освободить себя от неэффективных и неактуальных паттернов прежнего бытия и начать духовно расти и развиваться.

Направление квантовой психотерапии вполне можно назвать высокоэкологичным, т.к. личность психотерапевта в процессе задействуется минимально. Специалист здесь выступает в роли проводника и просто оказывает своему клиенту поддержку в моменты повышенной тревоги, вызываемой изменением восприятия.

Всю основную работу по преодолению своих трудностей и саморазвитию проделывает сам человек.

Квантово-психотерапевтическая помощь концентрируется на внутренних ресурсах человека и его потенциале, способном предоставить ему большую свободу выбора по мере освоения методов регулирования своей жизни посредством изменения восприятия и мировоззрения. Практически никогда такая психотерапия не длится долго, ведь человек достаточно быстро научается управлять своей жизнью.

Достигаются все эти результаты благодаря применению специалистами специальных методов:

  • Терапии мысленного контроля
  • Тетахилинга
  • Метода прямого восприятия
  • Метода сущностной трансформации
  • Метода символического моделирования

В дополнение к этим методам допускается применение катативно-имагинативной психотерапии и гипнотерапии, однако этого стараются избегать, чтобы не увеличивать продолжительность терапии и не снижать ее экологичность. В особых случаях для повышения эффективности и надежности результатов используются групповые виды квантовой терапии.

А отечественная практика отличается тем, что именно в ней появился новый подход, названный квантовой синергетической психотерапией. Ее основной целью является продлить творческое долголетие человека и устранить различные виды психосоматических заболеваний.

Терапевты устанавливают скрытые конфликты клиентов, из-за которых и появляются нарушения. Затем прорабатываются факторы риска, что позволяет избавиться от психосоматических симптомов и гармонизировать психику.

Этот междисциплинарный метод оперирует широким арсеналом помощи, использует индивидуальный подход и эффективно избавляет человека от терзающих его страданий.

Заключение

Подытоживая статью, отметим, что сегодня квантовая психология и ее идеи набирают все большее количество сторонников. Но увеличение популярности может привести к тому, что приверженцы направления станут считать его единственно верным или вообще начнут провозглашать откровенно псевдонаучные вещи.

Исходя из этого, перед психологами и представителями других научных направлений стоит важнейшая задача – определить, что является истинным, а что – нет, и разработать адекватный теоретический и методологический аппараты квантовой психологии.

Кроме того, необходимо верифицировать, т.е. досконально проверить методы, применяющиеся в квантовой психотерапии, и их эффективность.

Что же касается квантовой физики, то это направление продолжает активно изучаться и развиваться, и, медленно, но верно, приводит к утверждению фундаментально новой онтологии, становясь тем самым незримым пока еще мостом между материальным и духовным, который так старательно пытается возвести человечество уже не одну сотню лет.

опубликовано econet.ru. Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Автор: Кирилл Ногалес

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое сознание - мы вместе изменяем мир! © econet

econet.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о