Из не гуманитарных дисциплин мне всегда нравилась физика. Несмотря на то, что с математикой и геометрией отношения не складывались, по физике я всегда имела стабильную четверку. Видимо, дело в том, что наука это прикладная, понятная и чем-то сродни языку или даже литературе. Не спрашивайте, почему я так считаю – образное мышление, оно такое загадочное. В отличие от алгебры, где за абстрактным сложением, вычитанием и другими действиями я никогда не видела смысла, физические формулы и задачи всегда были для меня конкретными. Физику можно представить, описать, даже нарисовать, а математика – всего лишь набор бездушных и непонятных «закорючек».
Квантовая физика – наука интересная вдвойне. Для меня – это некий гибрид точных знаний и философских рассуждений, допусков, условий, вероятностей. Теоретическая физика благодатное поле для размышлений, споров, немыслимых гипотез и спонтанных открытий. Мне, как философу и эзотерику эта сторона жизни весьма интересна. Теоретическая и квантовая физика дают ответы на вопросы, которыми задаются мои коллеги и проливают хоть какой-то свет на суть загадочных явлений.
Именно квантовая физика предполагает вариативность Вселенной и наличие параллельных пространств. С ее помощью можно хоть как-то объяснить пространственно-временные странности, которые время от времени происходят в жизни.
Основные принципы квантовой механики даже легли в основу популярного психологического направления.
Простой пример, известный даже тем, кто не интересуется наукой – это знаменитый «кот Шредингера». Эксперимент много раз описывался в различных источниках. Если опустить технические термины и заумные подробности, то его суть такова: для наблюдателя со стороны кот находится сразу в двух состояниях. Он либо жив, либо мертв. Пока не откроем крышку ящика с котом и радиоактивным веществом, мы этого не узнаем. Да, радиоактивное вещество для экспериментатора тоже в двух состояниях: либо распадается, либо нет. От этого зависит жизнь пресловутого кота. Если еще проще, то окружающий нас мир всегда двойственен. Все зависит от того, «подглядываем» мы за ним или нет.
На этом утверждении и основан так называемый «эффект наблюдателя», примеров которому в жизни можно найти массу. Представьте себе морозный зимний день. Вы стоите на остановке общественного транспорта, уткнувшись в шарф, мерзните и проклинаете себя, за то, что не удосужились проверить заряд аккумулятора в машине. Автобуса нет уже минут десять. Вы в нетерпении топчетесь на месте, выходите на проезжую часть, высматривая злосчастный автобус. А он все не едет. Вы наблюдаете за ним, понимаете, о чем я? Страстно желаете его увидеть, но на горизонте пусто. Наконец, вы не выдерживаете пытки холодом, и решаетесь идти пешком. И тут же, словно из воздуха, в нескольких метрах от остановки появляется желанный автобус! Совпадение? Вовсе нет. Это сработал т.н. эффект наблюдателя. Пока мы тоскливо всматривались в туманную морозную дымку, мир вел себя враждебно, словно насмехаясь над нашими мученьями. Стоило бросить бесполезное занятие, как он тут же повел себя по-другому. Вывод – окружающая действительность меняется в зависимости от того, «подсматриваем» мы за ней или нет. Чем больше мы чего-то хотим, тем меньше вероятность это получить. Пока мы торопим Вселенную, нетерпеливо подгоняя ее, она так и будет задерживать вожделенный автобус! А если бы вы вовремя проверили аккумулятор, то вообще не оказались бы на этой остановке.
Курильщики знают: чтобы транспорт, который долго ждешь, быстрее пришел, нужно обязательно закурить. Не успеешь чиркнуть зажигалкой, как обязательно на горизонте появляется нужная маршрутка! И это не шутка, я много раз проверяла данное утверждение. Могу с полным правом называть себя физиком-практиком в области квантовой механики! Стоит только забыть о своей просьбе, расхотеть что-либо, как мир моментально реализует наши «хотелки». Вот уж, во истину: стоит только расхотеть! И это не фантастика – так работает принцип наблюдения за реальностью. Хитрая Вселенная ведет себя как затаившийся в камышах тигр: пока не выпрыгнет, не узнаешь, есть он там, или нет.
Наверняка, многие сталкивались с еще одним удивительным эффектом из области теоретических знаний: вспоминаешь о ком-то усиленно, и этот человек словно из-под земли вырастает на твоем пути. Даже если вы живете в разных концах города или не виделись несколько лет. Мы, люди, словно притягиваем друг друга. Как притягиваются заряженные частицы, разлученные на много километров в пространстве.
А задумывались ли вы, что мы одновременно и наблюдатели, и коты, закрытые в коробке? С одной стороны, ты ждешь трамвая на остановке в зимний день, с другой, как выглядел бы этот мир, если бы тебя в нем не было? И скорее всего, есть такие параллельные Вселенные, где нас нет. Или мы выбрали иной жизненный путь и никогда не окажемся на этой остановке. Быть может, в иной реальности мы раскатываем на личном лимузине и наблюдаем абсолютно другие картинки. Мы одновременно и исследователи, и подопытные.
То, что фаталисты называют «судьбой» не более чем физическая вероятность того или иного события. Стоит сделать шаг влево или вправо, как линия жизни делает ответвление, и вот уже река событий, встреч, неудач и побед поворачивает в другое русло.
Мы наблюдаем за жизнью в замочную скважину своих представлений о ней. А как она в действительности выглядит, никто толком и не знает. Мир такой, каким видит его каждый в отдельности. Помните притчу о том, как слепые разглядывали слона? Одному достался хвост, другому хобот, а третьему нога. Вот так и мы – все зависит от того, какая часть слона досталась, какой угол зрения мы выбрали – так и будет выглядеть мир. Птица и змея тоже видят землю по-разному, и каждое существо уверено, что именно его взгляд правильный.
Вот за это и люблю я физику, в особенности такую заумную – хлебом не корми, дай поговорить о тайнах и загадках. Беспроигрышная позиция с точки зрения наблюдателя: на любой вечеринке я всегда в центре внимания!
Согласно точке зрения материалистов, все процессы, происходящие в мире, соединены причинно-следственными связями. Подобная гипотеза носит название "детерминированность" (тотальная предопределённость) и полностью исключает случайные явления. Например, когда взрывается граната, её осколки случайным образом разлетаются в разные стороны, но материалисты утверждают, что разлёт осколков не случаен, а определяется внутренними микротрещинами в металле, дислокациями и прочими вполне реальными факторами. И если бы был создан бесконечно мощный компьютер, то он смог бы рассчитать перемещение любой элементарной частицы от момента возникновения Вселенной до её нынешнего положения, например, в молекуле какого-нибудь белка.
Эта гипотеза серьёзно пошатнулась в 1927 году, когда физик Вернер Гейзенберг открыл Принцип Неопределённости. Оказалось, что существует предел точности, с которым возможно рассчитать все параметры микрочастиц. В частности, чем точнее определяются координаты частицы в пространстве, тем более неточна её скорость и направление движения, и наоборот. Характеристики частиц, связанные между собой соотношением неопределённости, называются "некоммутирующими" (то есть взаимозависимыми). В то же время все характеристики частиц являются случайными величинами и подчиняются математическим принципам случайного распределения. Например, если направить луч света на узкую щель, свет подвергнется дифракции, и позади щели на экране появится интерференционная картина, но невозможно рассчитать, куда именно попадёт какой из фотонов. Это напоминает, как если просыпать кучу песка через несколько последовательных сит: на дне всегда получится Гауссово распределение песчинок, но невозможно рассчитать, куда именно упадёт какая из них.
Последние научные данные говорят о том, что все явления и процессы не только "микро", но и "макро"-мира имеют свою вероятность. Даже простое линейное перемещение предмета со скоростью V из точки А в точку Б, расстояние между которыми равно S, может не всегда описываться формулой S=Vt. Грубо говоря, формула S=Vt описывает случай, когда вероятность перемещения предмета из А в Б равна 100%, и не учитывает фактор случайности. В каком же случае эта вероятность может не быть равной 100%, и объект не окажется спустя время t в точке Б? Чтобы понять это, необходимо сформулировать понятие Наблюдателя и осознать, какие из параметров, описывающих движение предмета из А в Б, являются некоммутирующими.
В древности понятию Наблюдателя уделялось намного большее внимание, чем в современной науке. В научных трактатах индусов имеется следующее утверждение: "Для того, чтобы какое-либо из событий произошло, требуется пять компонентов: Время, Место, Объект, Субъект и Воля Бога" . Античные учёные изначально вводили понятие Наблюдателя (Субъекта) и даже понятие "Воли Бога" во все свои научные изыскания. Они были убеждены, что Субъект, наблюдающий эксперимент, способен оказывать влияние на его результат через влияние на вероятностные параметры процесса. В настоящее время такое влияние было неоднократно научно подтверждено. В одном из экспериментов группу людей сажали перед генератором случайных чисел, выдававшим на экран нули и единицы, и просили их мысленно заставить генератор выдавать больше нулей или единиц, и это получалось! В другом эксперименте группу людей просили мысленно влиять на то, каким числом вверх упадёт подброшенный игральный кубик. Если все участники эксперимента мысленно желали, чтобы кубик показал число "6", вероятность этого события возрастала с 17% (1:6) до 25% (1:4)! В третьем эксперименте испытуемым предлагали заставить подброшенную монетку упасть вверх "орлом" либо "решкой", и это у них также получалось.
Учёные давно уже спорят о "влиянии личности на результаты эксперимента". Это влияние тем более заметно, чем больше вероятностных параметров имеет изучаемый процесс. Если сознание Наблюдателя оказывает более чем 30%-ое влияние на ход эксперимента, то его будет непросто повторить другой группе исследователей. А поскольку "повторяемость" результатов опыта является одним из ключевых условий современного научного подхода, большинство теорий, основывающихся на подобных экспериментах, до сих пор считаются непризнанными или недоказанными.
Один из примеров этого - гомеопатия. Сторонники гомеопатии утверждают, что вода и природные кристаллы обладают способностью запоминать свойства веществ, с которыми они соприкоснулись. Если растворить в воде какое-либо лекарство, между молекулами воды возникнут информационные связи, в которых будет зашифрована информация об этом лекарстве. И даже если довести концентрацию лекарства в воде до нуля, вода будет продолжать сохранять лечебные свойства, присущие этому лекарству. В 1983 году французский врач Жак Бенвенист провёл серию фармакологических экспериментов, которые подтвердили существование "памяти воды". Однако, когда его опыты были в точности повторены в одном из американских исследовательских центров, результат был отрицательный. В течение последующих 15 лет опыты были многократно перепроверены в различных лабораториях по всему миру; иногда эффект явно присутствовал, иногда напрочь отсутствовал. Последнюю точку в спорах о наличии у воды памяти поставило в 2000 году Министерство Обороны США, которое опубликовало в своём итоговом докладе следующее заключение: "Положительный эффект достигается только в том случае, если в эксперименте участвует хотя бы один человек, который желает, чтобы эффект присутствовал (например, человек из лаборатории Бенвениста)". Так гомеопатия стала первой из областей знаний, для которой было научно подтверждено влияние личности на результат эксперимента.
В 1997 году японский исследователь Масару Эмото экспериментально доказал, что молекулы воды действительно обладают способностью объединяться в кластеры. Чтобы выяснить, способны ли эти кластеры хранить информацию, Масару Эмото использовал простой метод: после передачи информации воде он замораживал её в криогенной камере, а затем рассматривал под микроскопом получившиеся кристаллы. По мнению учёного, созидательная информация порождает симметричные снежинки, а негативная - хаотичные и бесформенные. Как вариант, Масару Эмото "проигрывал" воде различные музыкальные произведения, и после заморозки из воды, которая "слушала" классику или красивые поп-композиции, вырастали красивые и гармоничные снежинки, а из воды, которой ставили тяжёлый рок или другую негативную музыку, получались уродливые снежинки с рваными краями. Опыты Масару Эмото были повторены множеством исследователей по всему миру, и опять-таки, некоторые получали положительные результаты, а у других результат был нулевым. Использование так называемого "двойного слепого метода" позволило установить, что если ещё до заморозки наблюдатели знают, какому именно из образцов воды давали созидательную информацию, то из этого образца после заморозки вырастают гармоничные кристаллы, и наоборот. Это опять-таки свидетельствует о влиянии личности на результат, а также о том, что у воды имеются механизмы запомнить подобное влияние.
В настоящее время официальная наука считает псевдонаучными такие направления как Акупунктура, Эффект Полостных Структур, Волновая Генетика, Теория Торсионных Полей и многие другие. Основная причина этого в том, что результаты, полученные авторами этих теорий, должны быть обязательно и закономерно воспроизводимы в любых других научных лабораториях, чего стабильно не наблюдается. Но, может быть, в этом и содержится главная ошибка материалистов? Может быть, стоит принять как факт, что для повторения эффекта необходимо не только то или иное научное оборудование, но и присутствие соответствующего Наблюдателя? Повторим ещё раз формулу древних: "Для того, чтобы какое-либо из событий произошло, требуется пять компонентов: Время, Место, Объект, Субъект и Воля Бога". Под "Волей Бога" можно понимать наличие в эксперименте вероятностных факторов, которые Субъект мог бы обратить в свою пользу. А сам Субъект должен уметь управлять этими факторами с помощью своего сознания.
В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемую величину. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей (это не фантазия) книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения влияет на измеряемые свойства ничтожно. А теперь задумаемся о процессах, происходящих на субатомном уровне.
Допустим, нам необходимо выяснить пространственное местонахождение элементарной частицы, например, электрона. Нам по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у нас нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.
В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. За что мы ему очень признательны. Как и за введенное им понятие "неопределенности", математически выраженное в неравенстве, в правой части которой погрешность измерения координаты умножена на погрешность измерения скорости, а в левой части - константа связанная с массой частицы. Сейчас объясню почему это важно.
Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную систему рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку - в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определить точные координаты книги можно.
И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).
В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (координаты частицы), тем более неопределенной становится другая переменная (погрешность измерения скорости) поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части.На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.
На самом деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость - на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, пока мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, сама энергия системы случайным образом меняется - происходят ее флуктуация, - и выявить ее мы не можем. Тут уместно было бы рассказать о коте Шредингера, но это будет уже совсем не гуманно.
Окей. Надеюсь это потому что вы любите физику, а не котиков.
Вперед, Макдуф, и будь проклят тот, кто первый крикнет: «Хватит, стой!»
Как объяснил нам Гейзенберг, из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы. Если не интересны подробности, рекомендую пропустить два следующих абзаца.
Про волновую функцию. Тут необходимо сделать пояснение. В нашем обыденном мире энергия переносится двумя способами: материей при движении с места на место (например, едущим локомотивом или ветром) - в такой передаче энергии участвуют частицы; или волнами (например, радиоволнами, которые передаются мощными передатчиками и ловятся антеннами наших телевизоров). То есть в макромире, где живём мы с вами, все носители энергии строго подразделяются на два типа - корпускулярные (состоящие из материальных частиц) или волновые. При этом любая волна описывается особым типом уравнений - волновыми уравнениями. Все без исключения волны - волны океана, сейсмические волны горных пород, радиоволны из далеких галактик - описываются однотипными волновыми уравнениями. Это пояснение нужно для того, чтобы было понятно, что если мы хотим представить явления субатомного мира в терминах волн распределения вероятности. Он применил к понятию волн вероятности классическое дифференциальное уравнение волновой функции и получил знаменитое уравнение. Подобно тому как обычное уравнение волновой функции описывает распространение, например, ряби по поверхности воды, уравнение Шрёдингера описывает распространение волны вероятности нахождения частицы в заданной точке пространства. Пики этой волны (точки максимальной вероятности) показывают, в каком месте пространства скорее всего окажется частица.
Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение Шрёдингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне.
Теперь про кота. Всем известно, что коты любят прятаться в коробках (). Эрвин Шредингер тоже был в курсе. Более того, с чисто нордическим изуверством он использовал эту особенность в знаменитом мысленном эксперименте. Суть его заключалась в том, что в коробке с адской машиной заперт кот. Машина через реле подсоединена к квантовой системе, например, радиоактивно распадающемуся веществу. Вероятность распада известна и составляет 50%. Адская машина срабатывает когда квантовое состояние системы меняется (происходит распад) и котик погибает полностью. Если предоставить систему "Котик-коробка-адская машина-кванты" самой себе на один час и вспомнить, что состояние квантовой системы описывается в терминах вероятности, то становится понятным, что узнать жив котик или нет, в данный момент времени, наверняка не получится, так же, как не выйдет точно предсказать падение монеты орлом или решкой заранее. Парадокс очень прост: волновая функция, описывающая квантовую систему, смешивает в себе два состояния кота - он жив и мертв одновременно, так же как связанный электрон с равной вероятностью может находится в любом месте пространства, равноудаленного от атомного ядра. Если мы не открываем коробку, мы не знаем точно, как там котик. Не произведя наблюдения (читай измерения) над атомным ядром мы можем описать его состояние только суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Кот, находящийся в ядерной зависимости, и жив и мертв одновременно. Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?
Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу. Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.
Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики - кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв одновременно).
Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.
Ответить
Ещё 2 комментария
Квантовая коммуникация указано, что фактически ученые научились "подсматривать" состояние первой частицы, и благодаря этому точно определять спин второй, связанной, частицы если вывести в этот момент времени первую частицу из состояния квантовой запутанности. То есть между частицами существует какая-то связь, над которой время и расстояние не подвластны. Фактически русская литература (которую я нашел в интернете))) фактически до этого момента уже не доходит. Не подскажите, что можно почитать понятное про всё это? Спасибо!
Ответить
Прокомментировать
Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.
Кот Шредингера
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.
По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.
У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.
Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.
Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.
Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.
Дифракция электронов
По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?
Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.
В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.
При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).
Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.
Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.
Нагретый фуллерен
Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).
Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.
Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.
Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.
Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.
Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.
В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.
Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.
Замирающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.
Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).
Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.
Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?
Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.
Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.
Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».
Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.
Эффект наблюдателя. Корпускулярно-волновой дуализм - принцип, согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц. В частности, волновое уравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля. В этом смысле любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные (квантовые) свойства. Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В соответствии с теоремой Эренфеста квантовые аналоги системы канонических уравнений Гамильтона для макрочастиц приводят к обычным уравнениям классической механики. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля. Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Характер решаемой задачи диктует выбор используемого подхода: корпускулярного (фотоэффект, эффект Комптона), волнового или термодинамического. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон). Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и/или противопоставлять материальный объект (электромагнитное излучение, например) и способ его описания (корпускулярный или волновой); и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух (корпускулярный, волновой, термодинамический, …), так что сам термин «дуализм» становится неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом интерпретировать поведение квантовых объектов, подбирая аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.
