Просмотр полной версии : Основы квантовой физики
10 фактов о квантовой механике
Леонид Пономарев
http://elementy.ru/lib/431444
Серию статей «10 фактов о...» продолжает статья известного физика и популяризатора науки, доктора физ.-мат. наук, члена-корреспондента РАН, заведующего Лаборатории теоретических исследований Института общей и ядерной физики РНЦ «Курчатовский институт», лауреата премии «Просветитель» 2009 года Леонида Пономарева.
1. В природе существует наименьший квант действия (постоянная Планка)
h = 6,626075×10–34 Дж·с, который определяет все основные особенности квантовых явлений.
2. Квантовым явлениям присущ корпускулярно-волновой дуализм: в зависимости от условий наблюдения они обнаруживают и волновые (частота ν и длина волны λ колебаний), и корпускулярные (энергия Е и импульс р = mv частицы) свойства. Соотношение между ними осуществляет постоянная Планка h:
3. Волновые и корпускулярные характеристики квантовой системы не могут быть измерены одновременно и с произвольной точностью. Точности Δх и Δр определения координаты х и импульса р системы ограничены соотношением неопределенностей Гейзенберга:
Δx ∙ Δp ≥ ħ/2, ħ = h/2π
4. Корпускулярные и волновые свойства квантовой системы дополнительны друг другу: хотя они и не могут быть определены в одном эксперименте, но они равно необходимы для его полной характеристики.
5. Квантовая механика была открыта в двух формах: матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера. Состоянию n квантовой системы ставится в соответствие комплексная амплитуда вероятности (или волновая функция) , которая подчиняется волновому уравнению Шрёдингера. В квантовой физике оно играет ту же роль, что и уравнения Ньютона в классической механике или уравнения Максвелла в физике электромагнетизма.
6. Плотность вероятности ρn реализации состояния n определяется квадратом амплитуды волновой функции ρn = |ψn(x)|2 , а его волновые свойства (интерференция и дифракция) — его фазой φn(x).
7. Для квантовых систем справедлив принцип суперпозиции состояний ψ = a1ψ1 + a2ψ2 + ..., который позволяет находиться ей в любом из них (в том числе альтернативных) с вероятностью |ai|2.
8. Измеримым характеристикам квантовой системы (x, p, L...) ставятся в соответствие операторы а их измеримые величины находятся как собственные значения матриц pmn, Lmn, ... их операторов: , ... . Эти значения совпадают с собственными значениями краевой задачи для уравнения Шрёдингера.
9. Важнейшая характеристика квантовой системы — спин: он определяет свойства симметрии системы и статистические характеристики квантового ансамбля. Для квантовых объектов с полуцелым спином (электрон, протон и т. д.) справедлив «принцип запрета Паули», который, в частности, позволил объяснить строение Периодической системы элементов Д. И. Менделеева.
10. Квантовым законам подчиняются все явления атомной и ядерной физики, структурная химия и физика твердого тела, физика элементарных частиц и ядерная астрофизика, а также работа ядерного и термоядерного реакторов и ядерное оружие.
Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля.
Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.
Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния.
Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга и уравнение Паули.
Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ, операторные алгебры, теория групп.
Квантовая механика простыми словами
Комплексная вероятность
Квантовая (волновая) механика должна объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества (см. Корпускулярно-волновой дуализм). Любой волновой процесс (например, процесс колебаний маятника) полностью описывается его амплитудой и фазой, поэтому квантовая механика должна использовать именно такое описание. Так мы приходим к описанию системы комплексной волновой функцией, амплитуда и фаза которой полностью определяют состояние системы.
Такое описание позволяет естественным образом описывать волновые явления, такие, как интерференцию элементарных частиц или, скажем, дифракцию электронов на кристаллической решетке.
Как известно из теории поля, энергия волны квадратична по ее амплитуде, поэтому и вероятность обнаружить частицу в некотором состоянии равна квадрату модуля волновой функции. (Формально это легко понять: такая вероятность не должна зависеть от фазы волнового процесса в данной точке, поэтому может содержать волновую функцию только в комбинации ψψ*=|ψ|²)
Одно из отличий квантовой механики от обычной заключается в том, что вероятность обнаружить электрон в данном месте еще не полностью определяет его состояние. Для описания состояния электрона используется комплексная вероятность. Волновая функция и есть значение этой комплексной вероятности. Плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке равна квадрату модуля комплексной вероятности. Комплексность приводит к эффекту интерференции: если комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через одну щель равна p, а комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через вторую щель равна -p, то если разрешить электрону проходить через обе щели эта вероятность станет равна 0 — то есть в этой точке электрон оказаться не может.
Практически интерференция наблюдалась для фотонов, электронов и некоторых атомов.
Соотношение неопределённостей
Другим необычным свойством электронного «облачка» является его неподатливость. Если мы со всех сторон начнём сдавливать это облачко, стремясь уменьшить его размеры, то оно станет оказывать всё большее и большее давление. И каковы бы ни были «тиски», сдавливающие электрон, рано или поздно электрон вырвется из них. Можно представить себе этот процесс, словно электрон начинает метаться по облачку, и чем меньше его размеры, тем сильнее он мечется, т. е. тем больше его кинетическая энергия.
Мы приходим к выводу: если мы пытаемся насильно избавить электрон от неопределённости в координате, то мы неизбежно увеличиваем неопределённость в импульсе электрона. Оказывается, произведение этих двух неопределённостей никогда не бывает меньше конкретной величины, постоянной Планка. Это соотношение называется соотношением неопределённостей. Аналогичные соотношения неопределённостей связывают и некоторые другие характеристики микрочастицы. Такие характеристики частицы называются дополнительными друг к другу.
Общее словесное описание этого закона таково:
улучшая наше знание о какой-либо одной характеристике частицы, мы ухудшаем наше знание о дополнительных её характеристиках.
Важно понимать, что такое «квантовое дрожание» (обычно говорят нулевые колебания) локализованной микроскопической частицы неустранимо, и именно оно приводит к некоторым чисто квантовым явлениям. Например, даже при нулевой температуре, когда, согласно классической механике, никакого движения не должно быть, нулевые колебания по-прежнему остаются. Именно из-за этого жидкий гелий не затвердевает при нормальном давлении даже при нулевой температуре.
Наблюдение микрочастиц Править
Предыдущее свойство сразу же меняет понятие наблюдения за микрочастицей. Действительно, наблюдение — это процесс взаимодействия объекта с прибором, в результате которого на выходе прибора появляется какой-то определённый сигнал. Но всякое взаимодействие, а значит, и просто наблюдение, само по себе возмущает наблюдаемый объект, изменяет его свойства. И важно, что это возмущение нельзя сделать пренебрежимо малым.
Итак, при измерении какого-либо свойства частицы, и даже просто при её наблюдении, исходное состояние частицы, как правило, разрушается. Можно сказать, что какое-либо определённое квантовое состояние частицы — невероятно «хрупкая» вещь. Это важное свойство используется в квантовой телепортации и квантовой криптографии.
Квантование
Следующим важным свойством микрочастицы является тот факт, что она не всегда может находиться в произвольном состоянии. В частности, если она удерживается какими-либо силами в более-менее локализованном состоянии (то есть «не убегает на бесконечность»), то состояния частицы оказываются квантованными: т. е. частица может обладать только определённым дискретным набором энергий в поле связывающих сил. Это кардинально отличается от классической механики: в ней частица может обладать непрерывным набором энергий. С практической точки зрения, самым важным следствием этого является линейчатый (а не непрерывный) спектр излучения и поглощения атомов.
Математические основания квантовой механики Править
Математический аппарат квантовой механики — теория гильбертовых пространств и действующих в них операторов. Состояние изолированной квантовой системы — это вектор в гильбертовом пространстве, причем постулируется, что задание вектора состояния — это суть задание полной информации о квантовой системе. Наблюдаемым физическим величинам соответствуют определенные самосопряженные операторы в этом пространстве (См. Оператор физической величины), а результатам измерения соответствующей физической величины отвечают средние значения этих операторов по заданному вектору состояний. Эволюция квантовой системы со временем также определяется с помощью оператора эволюции, который, в свою очередь, выражается через гамильтониан системы.
В некоторых ситуациях, структура этого пространства и действующих в нём операторов выглядит существенно проще не в абстрактном виде, а в каком-либо представлении. Так, курсы квантовой механики стандартно начинаются с координатного представления, в котором вместо вектора состояния используется его разложение по базису координатного представления, т. е. волновая функция. Уравнение эволюции во времени в этом случае имеет вид дифференциального уравнения в частных производных и называется уравнением Шрёдингера.
Подчеркнём, что какой бы громоздкой ни казалась эта конструкция, она — единственная известная на сегодня теория, способная описать экспериментально наблюдаемое поведение микроскопических частиц.
Необычные явления, мысленные эксперименты и парадоксы квантовой механики
Соотношение неопределённостей Гейзенберга
Дифракция электронов
Корпускулярно-волновой дуализм
Сверхтекучесть (Бозе-конденсат)
Сверхпроводимость
Квантовые флуктуациии
Квантовая телепортация
Квантовая запутанность (Квантовая нелокальность, «Квантовое Вуду»)
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
Квантовый парадокс Зенона («Парадокс незакипающего чайника»)
Кот Шрёдингера
Надбарьерное отражение
Разделы квантовой механики
В стандартных курсах квантовой механики изучаются следующие разделы
математическая основа квантовой механики и теория представлений;
точные решения одномерного стационарного уравнения Шрёдингера для различных потенциалов;
приближённые методы (квазиклассическое приближение, теория возмущений и т. д.);
нестационарные явления;
уравнение Шрёдингера в трёхмерном случае и теория углового момента;
теория спина;
тождественность частиц;
строение атомов и молекул;
рассеяние частиц;
Комментарии
Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Попытка рассмотрения релятивистских частиц в рамках стандартного квантовомеханического подхода наталкивается на трудности, связанные с возможностью порождать новые частицы «из ничего». Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем.
Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших энергий (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики. Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет её на микроскопических масштабах.
Некоторые свойства квантовых систем кажутся нам непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование траектории частицы, вероятностное описание, дискретность наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т. е. в данном случае «здравый смысл» не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика — самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики.
Важно понимать, что квантовая механика не выводится из классической. Квантовая механика — это теория, построенная «с нуля», только при построении её требуется контролировать принцип соответствия. Грубо говоря, «квантование системы» — это не дополнительное видоизменение классических уравнений движения, а совершенно новый взгляд на систему. Впрочем, неоднократно делались попытки вывести квантовую механику из какой-то более глубокой, и, возможно, более простой, теории, т. е. понять, почему законы квантовой механики именно такие, а не другие. К этим попыткам можно отнести множество интерпретаций квантовой механики. Строго говоря, в настоящее время нет какой-либо одной общепринятой интерпретации квантовой механики. Консервативно настроенные физики предпочитают считать, что вопросы, связанные с интерпретацией квантовой механики, выходят за рамки физики.
Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых (см. физическая величина), описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей[* 1] задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.
Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет волновые свойства. Данное явление называется корпускулярно-волновым дуализмом, в том смысле, что частица вещества(в данном случае взаимодействующие электроны) может быть описана, как волна.
При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала. Поэтому процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях различных материалов. Электронография схожа с рентгеноструктурным анализом и нейтронографией.
Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. 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[1].
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[2]. 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).
В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему 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.
Сверхтекучесть
Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.
Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.
Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.
Флуктуа́ция (от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. В квантовой механике — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами.
Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеянию света веществом и потере прозрачности.
Флуктуации, вызванные квантовомеханическими эффектами, присутствуют даже при температуре абсолютного нуля. Они принципиально неустранимы. Пример проявления квантовомеханических флуктуаций — эффект Казимира, а также силы Ван-дер-Ваальса. Непосредственно наблюдаемы квантовомеханические флуктуации для заряда, прошедшего через квантовый точечный контакт — квантовый дробовой шум.
В фантастической повести А. и Б. Стругацких «Стажёры» флуктуация определяется как отклонение от наиболее вероятного состояния, причём вероятность этого отклонения ничтожно мала. Персонаж повести Жилин описывает свою встречу с человеком, называющим себя «Гигантской флюктуацией». Этот человек так себя называл, потому что на события, происходящие с ним, не распространялась теория вероятностей. С ним происходили невероятные события столь часто, что это ломало всю теорию.
Ква́нтовая телепорта́ция — передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма. Термин установился благодаря опубликованной в 1993 году статье[1] в журнале «Physical Review Letters», где описано, какое именно квантовое явление предлагается называть «телепортацией» (англ. teleporting) и чем оно отличается от популярной в научной фантастике «телепортации». Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики.
Ква́нтовая запу́танность[1] (см. раздел «Название явления в русскоязычных источниках») — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.
Парадокс Эйнште́йна — Подо́льского — Ро́зена (ЭПР-парадокс) — попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект непосредственного воздействия. Целью такого косвенного измерения является попытка извлечь больше информации о состоянии микрообъекта, чем даёт квантовомеханическое описание его состояния.
Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, связанный с тем, что следует считать элементами физической реальности — считать ли физической реальностью лишь результаты опытов и может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности» так, что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание.
Квантовый эффект Зенона (парадокс незакипающего чайника) — метрологический парадокс квантовой механики, заключающийся в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы с дискретным энергетическим спектром прямо зависит от частоты событий измерения её состояния. В предельном случае нестабильная частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться.
Впервые предсказан в 1954 году Аланом Тьюрингом, позже, в 1957 году, советским физиком Леонидом Халфиным[1]; в 1978 году американские физики Байдьянат Мизра и Джордж Сударшан описали эффект, назвав его именем древнегреческого мыслителя Зенона Элейского[2]. Название эффекта восходит к апории Зенона о полёте стрелы.
Квантовый эффект Зенона для вероятности переходов между атомными уровнями (сверхтонкое расщепление основного состояния пяти тысяч ионов 9Be+, накопленных в ловушке Пеннинга и охлаждённых до 250 мК) был экспериментально обнаружен в конце 1989 года Дэвидом Вайнлендом и его группой в Национальном институте стандартов и технологий (Боулдер, США)[3][4]. Приложение радиочастотного резонансного поля переводило атомы в верхнее состояние двухуровневой системы; однако когда одновременно с этим измерялось состояние атомов с помощью УФ излучения, переход в возбуждённое состояние подавлялся в хорошем соответствии с теоретическим предсказанием.
Кот Шрёдингера (кошка Шрёдингера) — объект мысленного эксперимента, предложенного Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:
«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот[1] заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.
Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».[2].
Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение ЭПР парадокса, опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году[3]. Статьи ЭПР и Шредингера обозначили странную природу «квантовой запутанности» (нем. Verschränkung, англ. quantum entanglement, введенный Шредингером термин), характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем (например, двух субатомных частиц).
Надбарьерное отражение — этот термин употребляется, чтобы описать невозможное в классической физике явление отражения от потенциального барьера, высота которого меньше полной энергии частицы.
Из книги А.Никонова "Апгрейд обезьяны. Большая история маленькой сингулярности"
О вакууме:))))
Вселенная возникла из ничего за просто так
Непустая пустота
Да, это правда. Если, конечно, считать «ничевом» тот первичный бессобытийный вакуум, в котором возникла наша чудесная сингулярность – зерно Вселенной.
Между тем вакуум вовсе не «ничего». Вакуум не пустота, как многие полагают. С тех пор, как Дирак обозвал вакуум морем виртуальных частиц, мнение физиков о вакууме кардинально изменилось. Это раньше он был «пустым вместилищем вещей», а ныне превратился в представлении ученых в полноценную материю, пусть и с несколько необычными свойствами.
Вакуум представляет собой океан виртуальных, то есть никак не проявленных частиц. Частиц без всяких свойств! Частиц в особом, «нулевом» состоянии. Представить себе это непросто. Ведь если что-то никак не проявляет себя в этом мире, значит, оно не существует! Почему тогда физики говорят, что вакуум – море виртуальных частиц? Почему не табуреток? Не арбузов? Ведь и вакуумные табуретки, и вакуумные арбузы тоже никак не проявляют себя в этом мире! А дело в том, что вакуум постоянно «кипит» – виртуальные частицы все время на мгновение выныривают в реальность, то есть появляются из ничего и тут же исчезают. По закону сохранения заряда возникают частицы из вакуума только парами – частица вместе с античастицей, например, электрон – позитрон, протон – антипротон… Пары возникают и сразу схлопываются.
Схлопываются они так быстро, что «увидеть» их невозможно. Но можно успеть растащить. Если приложить к вакууму сильное электромагнитное поле, то можно растащить в разные стороны возникшие электрон и позитрон, прежде, чем они схлопнутся. Такие опыты были поставлены.
Был обнаружен еще один эффект, говорящий о том, что вакуум непрерывно порождает и съедает частицы. «Если вакуум действительно кипит, то электрон-позитронные пары, которые образуются вокруг реального атома, должны вносить небольшие коррективы в движение электрона по атомной орбите – экранировать заряд электрона от внешнего наблюдателя» – рассуждали физики. Эти эффекты были обнаружены экспериментально и названы лэмбовским сдвигом.
…Чует мое сердце, что вакуум преподнесет нам еще немало сюрпризов. Кажется, один он уже преподнес…
О принципе неопределенности и следствия из него для жизни:))))
Надо сказать, представления о Боге у последней волны верующих физиков и космологов сильно отличаются от традиционных. Они знают о Вселенной слишком много, чтобы их Бог был похож на Бога былых времен. В мир пришел новый Бог.
Не ревнивец. И не вседержитель. И не глобальный контролер. И не судья. Ему, вообще, похоже, глубоко плевать на мелких козявок, копошащихся на одной из планет, болтающейся вокруг третьестепенного желтого карлика на окраине одной из мириадов галактик. За последние 13 миллиардов лет он ни разу не вмешался и не оставил никаких видимых следов участия в делах Вселенной.
Это Бог, когда-то запустивший Вселенную и больше не вмешивающийся в течение событий в ней. Не только физики, но и современные биологи (они тоже не понаслышке знакомы с эволюцией!) отводят Богу роль весьма скромную, потому что прекрасно видят и понимают законы развития. И знают, что законов природы вполне достаточно для развития Вселенной и человека в ней. Генетик и лауреат Нобелевской премии Вернер Арбер заметил: «Бог создал нечто самоорганизующееся. Он был настолько хитер, что спланировал все так, чтобы ему незачем было вмешиваться».
Итак, здесь Бог не нужен. Все идет своим чередом, который раз и навсегда задан Им.
А Им ли? До этого вопроса мы скоро дойдем.
Впрочем, если даже Бог и запустил Вселенную, то предвидеть, как все будет в ней развиваться, он не мог. Просто потому, что создавая законы Вселенной, сам же создал знаменитый принцип неопределенности, который иначе называют принципом Гейзенберга. Принцип, который лежит в основе всех мировых случайностей и принципиальных непредсказуемостей. Об этом принципе мы еще поговорим подробнее, а сейчас отметим лишь, что, будучи открытым в начале XX века, он положил конец легендам о божественном всезнании. Во всяком случае, в глазах физиков. Создав принцип неопределенности, Бог сам себя ограничил.
Открытие этого принципа означало, что мир не фатален. И что в нем просто не содержится абсолютно точной информации о нем самом. Тогдашних физиков, выросших в парадигме ньютоновской механики, это потрясло. Даже Эйнштейн недоумевал: «Неужели Бог играет в кости?»
Это не значит, что Эйнштейн верил в Бога. В 1921 году Эйнштейн получил следующую телеграмму от нью-йоркского раввина Герберта Гольштейна: «Верите ли вы в Бога тчк оплаченный ответ 50 слов». Эйнштейн уложился в 24 слова: «Я верю в Бога Спинозы, который проявляет себя в закономерной гармонии бытия, но вовсе не в Бога, который хлопочет о судьбах и делах людей». Богом для Эйнштейна была природа.
Спиноза, упомянутый Эйнштейном, – мыслитель XVII века, который первым отождествил Бога с природой. Естественно, такая трактовка тогдашним попам (да и нынешним тоже) понравится не могла: слишком уж «никаким» выглядел в ней Бог. Что же останется от религии, а главное, от института церкви, если лишить Бога возможности карать и осыпать милостями тех, кто ему глянется или, напротив, несимпатичен.
Современные физики пошли дальше Спинозы с Эйнштейном. Один из теоретиков Большого взрыва Вайнберг рассудил: «Если Бог оцепенело застыл по ту сторону пространства и времени, если Бог устраняется от всего и вся, к чему едва прикасается наука, то почему бы вообще не отказаться от такого Бога? Бог и так уже изгнан наукой из всех уголков Вселенной и стоит едва различимой тенью у ее истоков… Нужно ли и дальше лицемерить и вмешивать в нашу Вселенную нечто никогда в ней не бывшее и нигде не существовавшее? Это же чистейшее лицемерие – приравнивать Бога к безличным законам природы!»
Великий австрийский математик Гедель в 1931 году доказал теорему о неполноте. Если строго математически, то звучит она так: «При определенных условиях относительно фундаментальной пары <L, Т>, не существует такой дедуктивной системы <Р, Р,d> над L, которая была бы одновременно полна и непротиворечива относительно <L,T>». Смешно, правда?
Чтобы было более понятно, можно переформулировать иначе: «В любом языке существуют истинные, но недоказуемые утверждения».
А если уж совсем по-простому, что называется, шершавым языком плаката, то так: в рамках любой теории всегда существуют неопределимые понятия, на которых строятся недоказуемые предположения (аксиомы). А уж с помощью аксиом дальше громоздится собственно теория – доказываются теоремы, леммы…
После теории относительности очередным ударом по здравому смыслу оказалась квантовая механика. Когда был открыт корпускулярно-волновой дуализм, не только физикам, но и философам пришлось долго чесать затылки. Выяснилось: частица в микромире ведет себя как волна, а волна – как частица. В микромире нет частиц и нет волн, а есть волночастицы. Вы столько раз слышали про это, вы так давно учили это в школе, что, возможно, значимость этого открытия ускользнула от вашего взора. Но сейчас вдумайтесь и удивитесь тому, чему безмерно удивились философы: частично-волновой дуализм стер границу между объектом и процессом.
Объект – это некое материальное тело. Объект, как правило, имеет массу, находится в какой-то точке или объеме пространства. В объект всегда можно ткнуть пальцем и сказать, как пелевинский Чапаев про лошадь: «Да вот же она, Петька!»
Процесс – это движение. Если Солнце – это объект, то излучение Солнцем электромагнитных волн – это процесс. Велосипед – объект. Езда на велосипеде – процесс. Кровь – это объект. Движение крови в организме – процесс. Пружина – объект. Колебания пружины – волновой процесс.
Волна – это в чистом виде процесс. Процесс колебания мелких частичек среды, по которой, собственно, и бежит волна. И в этом смысле волна – в определенной степени иллюзия! Молекулы и массы воды в море синхронно и ритмично движутся вверх-вниз, создавая иллюзию бегущей по горизонтали волны. «На самом же деле» частички воды никуда не бегут, просто колеблются на месте по вертикали, но поскольку движение их ритмично согласовано, то кажется, что массы воды бегут из моря к берегу… Я не зря взял «на самом деле» в кавычки. Мы же с вами помним, что никакого «самого дела» нет. И поэтому волны есть! Можно считать их кажимостью, а можно реальностью. На вкус и на цвет, как говорится, товарищей нет. Но если вы профессионально занимаетесь физикой волновых процессов, удобнее считать волны существующими. Да и трудно посчитать несуществующей волну, которая сбивает с ног, лупит камнями по ногам и норовит утащить вас в море!
…Слушайте, я вас не очень запутал? Ладно, больше не буду…
Итак, процесс – это движение объектов.
Объект – это не процесс, а процесс – это не объект. Все вроде бы ясно.
И вдруг выясняется, что в микромире объект – это процесс, а процесс – это объект. Электрон, который объект, одновременно и волна, которая процесс. Как такое можно понять?
Объект – материя. Процесс – движение материи. Дуализм весьма прозрачно намекнул философам, что материя и движение находятся в очень близком родстве. Материя может существовать только в движении. А поскольку для движения «нужно место», то, по всей видимости, материя, движение и пространство – всего лишь три проявления, три ипостаси чего-то одного, как реверс, аверс и ребро – три проявления одной монеты. Чего же?.. Ой, придумайте название сами, вы же умные ребята. А когда к названию привыкнете, возникнет иллюзия понимания. Обозвать предмет или явление – сделать первый шаг к его пониманию…
Короче говоря, принцип совмещения несовместимого в науке назвали принципом дополнительности. Принцип дополнительности – это когда одну реальность описывают две взаимоисключающие теории. И обе дают верные результаты. Мир оказался глубже человеческой логики. Но логика оказалась хитрее… Иногда нужно рассматривать свет как электромагнитную волну, а иногда как частицы – фотоны. В зависимости от условий эксперимента. И от того, какой результат вы хотите получить.
Принцип дополнительности работает не только в физике. Он работает во многих науках. В психологии, например, можно использовать модель Фрейда, который считал, что все беды в нас от нереализованной сексуальности – это называется психоанализ. А можно использовать активный анализ. А можно гештальт-анализ. А можно хаббардовскую дианетику. Или метод регрессии. Или… Неважно, какую теорию, объясняющую человеческое поведение, вы используете, важен результат, который вы хотите получить. Потому что главное в психологической теории – не объяснение, почему человек поступает так или иначе, а практический результат – удалось вам добиться от клиента положительной динамики или нет. Теории могут противоречить друг другу. Главное – результат. Есть результат – теорию можно считать правильной (или «истинной», в зависимости от вашего вкуса к словам). А ошибочной теорией называется та, которая результатов не дает.
В XX веке ученые поняли, что они – не искатели Истины, а просто производители информационных моделей. Модели меняются, постоянно уточняются, а животные человеческие потребности, для удовлетворения которых строятся эти модели, остаются. Модель электромагнетизма позволила осветить дома электролампочками и облегчить труд с помощью электромоторов. А также создать системы связи и телевидение с «мыльными» сериалами, над которыми любят поплакать женщины среднего возраста с неудавшейся судьбой… Психологические модели позволяют зарабатывать психотерапевтам… Модели поведения упругих тел (сопромат) позволяют строить дома, в которых наше животное тело укрывается от непогоды…
Впрочем, о животных потребностях чуть ниже, а сейчас еще о двух принципах, важных для понимания мироздания – принципе неопределенности и принципе нормального распределения.
Глава 6. Очень неопределенный принцип
Принцип неопределенности открыл немецкий физик Вернер Гейзенерг, поэтому иногда этот принцип еще называют принципом Гейзенберга. И справедливо! Это, наверное, самое великое открытие человечества. Вот что он гласит:
http://lib.rus.ec/i/81/75881/im03.jpg
Как видите, очень простая в написании формулка. Простая, как все гениальное. «Аш с черточкой» – это постоянная Планка, равная 6,626·10^–34 Дж-с. «Дельта икс» – это неопределенность координаты элементарной частицы. «Дельта пэ» – неопределенность импульса частицы. Треугольный значок «дельта», собственно, и обозначает «неопределенность». Неопределенность – это неизвестность в самом прямом смысле этого слова. Поймите сказанное! Неизвестность введена физиками в формулы, описывающие наш мир. Потому что неизвестность имманентно присуща нашему миру. Неизвестность – один из принципов построения мира.
Формула Гейзенберга говорит, что мы не можем одновременно знать точную координату частицы и ее скорость (импульс, то есть произведение скорости на массу). Но зато мы можем варьировать свое незнание, предпочесть, что нам знать важнее – скорость или координату! Посмотрите внимательно на формулу – если мы каким-то образом точно узнаем местоположение частицы в пространстве (неопределенность координаты будет стремиться к нулю), то «дельта пэ» в этом случае будет стремиться к бесконечности, ведь их произведение – постоянная величина. Постоянная Планка.
Первый вывод: в микромире нет траекторий, по которым движутся частицы. Потому что частицы «размазаны» в пространстве. формула, описывающая это размазанное поведение частицы, называется волновой функцией. Волновая функция показывает, с какой вероятностью мы можем обнаружить частицу в данном конкретном месте. Волновая функция по сути описывает не частицу, а «размазанную вероятность».
…Здесь вот что очень важно понять – у нас нет точной информации о частице не потому, что мы еще не изучили чего-то, а потому, что этой информации нет в самой структуре материи! Частица «сама не знает», где она и что с ней. В микромире нельзя ничего предсказать заранее, можно лишь вычислить вероятность наступления того или иного события.
Мир состоит из непредсказуемых кирпичиков-частичек. И поэтому мир непредсказуем. Не фатален. Случайностен. Флуктуация лежит в основе мира.
Но если мир случаен в своей основе, почему тогда существуют физические законы? Законы Ньютона… Закон Кулона… Второе начало термодинамики? Закон Ома? Закон всемирного тяготения? Законы газовой динамики? Почему они выполняются не от случая к случаю, а всегда? Где же непредсказуемость? Она в микромире.
А в макромире поведение массивных тел, состоящих из триллионов частиц, в простых случаях взаимодействия вполне предсказуемо. Почему? Да потому что в микромире вероятность наступления разных событий разная. Волновая функция говорит: вероятность обнаружить частицу ТУТ, а не ТАМ составляет, скажем, 90%. Или, что то же самое, 90% всех частиц будут находиться ТУТ, а не ТАМ. Это значит, что процесс с огромным числом частиц пойдет именно в том направлении, в каком движется большинство из них. Именно неравномерность распределения вероятности создает направленные процессы. Направленные, значит, необратимые. Необратимые процессы создают иллюзию стрелы физического времени, которое, как известно, необратимо. Но необратимо не само время, разумеется («отдельно» времени не существует), необратимы просто проходящие в пространстве физические процессы. Человек старится, египетские пирамиды разрушаются, Солнце когда-нибудь погаснет.
Тем не менее все равно существует некая отличная от нуля вероятность, что чайник, поставленный на плиту, вместо того, чтобы вскипеть, замерзнет. Однако она столь исчезающе мала, что практически можно сказать: Второе начало термодинамики НИКОГДА не нарушается – тепло ВСЕГДА передается от более нагретых тел к менее нагретым. Хотя теоретически, конечно, все физические законы носят статистический характер. То есть вдруг могут и не исполниться на секундочку. Но скорее вы выиграете в лотерею сотню миллиардов долларов даже не купив лотерейного билета, чем кирпич вдруг, вместо того, чтобы упасть вниз, полетит вверх.
Ага! – скажете вы. Значит, макромир все-таки предсказуем! А ты говорил, что мир не фатален!
Отвечаю. Я не зря написал «в макромире поведение массивных тел, состоящих из триллионов частиц, в простых случаях взаимодействия вполне предсказуемо». У меня был сильный соблазн облегчить фразу, выкинув «в простых случаях взаимодействия». Но я не стал этого делать. Потому что физические законы – это идеальные модели, которые работают идеально только в идеальных условиях. Это раз. И два – в случаях реальных, сложных, многофакторных взаимодействий многих тел, полей и явлений предсказать что-либо бывает весьма затруднительно. Кто-нибудь с точностью до 100% предсказывал погоду или цены на нефть? То-то же.
Мир не фатален. Сложные системы, то есть те, которые описываются не простенькими формулами физических законов, какие мы все с тем или иным успехом проходили в школе, а нелинейными дифференциальными уравнениями… такие системы ведут себя как трудно- или вовсе непредсказуемые. Почему? Ведь вероятность поведения частиц в микромире распределена неравномерно – что-то более вероятно, что-то менее, а значит, большинство частиц ведут себя ТАК, а не ИНАЧЕ. Это, как мы уже поняли, и позволяет работать физическим законам.
А потому сложные системы труднопредсказуемы, что в некоторых из них при определенных обстоятельствах малое воздействие может привести к большим результатам. Если система находится в неустойчивом равновесии, как карандаш, стоящий на острие, любой случайный толчок в ту или другую сторону уведет систему из состояния равновесия, и ситуация начнет развиваться либо в одну сторону, либо в другую. Если вы направляете бильярдный шар на остроугольный предмет, то в зависимости от случайных крохотных изменений его траектории, шар может после удара покатиться либо влево, либо вправо. Микроизменение может кардинально поменять судьбу макрообъекта. А микроизменение – это изменение на уровне микромира, то есть отдельных непредсказуемых частиц.
Сложные системы живут по законам странных аттракторов. Аттрактор – это колебательная математическая функция. Странный аттрактор – это колебательная функция с необычным поведением. Развиваясь, аттрактор выходит на какой-то устойчивый режим и начинает колебаться вокруг точки равновесия. А потом вдруг, в какой-то момент по непонятной причине резко срывается, улетает и начинает колебаться уже вокруг другой точки равновесия. Точки улета назвали точками бифуркации. Точка бифуркации – это такая точка, малое случайное воздействие в которой может выбросить систему очень далеко. Странное поведение, правда? Потому такие функции математики и назвали странными аттракторами.
Типичные сложные системы, живущие, как странный аттрактор – человеческий организм, биоценоз, социальная система… Вдруг появляется Наполеон, и страна начинает развиваться в ином направлении… Вдруг какая-то случайность, нервный срыв выводит ослабленный организм из точки равновесия, и он скатывается в другую «лунку» – человек заболевает раком… Но наполеоны и нервные срывы опасны только тогда, когда системы находятся в точке бифуркации, то есть колеблются в состоянии неустойчивого равновесия, ожидая малейшего толчка. Для систем устойчивых никакие нервные срывы и гитлеры нестрашны, их не так-то просто выбить из потенциальной ямы. Вот вам и ответ на вопрос, может ли гений изменить историю? Может, если будет действовать в точке бифуркации, когда страна на перепутье.
Честно говоря, чуть выше я немножко неправильно написал – «неустойчивое равновесие». Правильно было бы сказать «неустойчивое неравновесие». Потому что живая система – будь то страна, или организм, или вид – вовсе не находятся в состоянии равновесия со средой! Разговоры о том, чтобы жить в равновесии с природой, – безграмотные бредни. В равновесии со средой находятся только покойники. И то когда окончательно разложатся. Живой организм со средой борется ежемгновенно. Среда старается снивелировать систему до полного ее растворения. Это происходит в полном соответствии со Вторым началом термодинамики, которое гласит: «В закрытых системах энтропия не убывает». Энтропия – это мера хаоса, дезорганизации. А организованная живая система всячески противостоит энтропийному давлению среды. Она борется за свою выделенность из среды, тратит на это энергию, которую черпает из той же среды, отнимая в конкурентной борьбе у других живых систем…
Так что правильнее говорить о живых системах – «устойчивое неравновесие» и «неустойчивое неравновесие». Неустойчивое неравновесие – это и есть точка бифуркации. Устойчивое неравновесие – обычный, «штатный» режим функционирования системы.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
12.02.2013, 10:21
Принцип неопределенности Гейзенберга
http://oko-planet.su/uploads/posts/2012-07/1342721254_kvant.jpg (http://oko-planet.su/uploads/posts/2012-07/1342721254_kvant.jpg)
Наблюдение влияет на предмет наблюдения.
(когда вы смотрите на что то вы изменяете это)
принцип неопределенности Гейзенберга для химии живого вещества
В.А. Перцов
Harvard University Cambridge, U.S.A.
Гейзенберговский принцип неопределенности может быть описан как невозможность «подглядывания в Природу» без того, чтобы не потревожить ее. Когда мы опускаемся до мельчайших частиц, в физике, то даже лишь простой факт наблюдения нарушает условия, в которых находится частица.
Аналогия может помочь визуализировать эту трудность. Предположим, некто хочет измерить расстояние между двумя пушечными ядрами, покоящимися на плоской горизонтальной поверхности. Имеется достаточная сила тяжести, чтобы предотвратить ядра от движения, когда измерительная линейка слегка приложена. В этом случае, измерение возможно. Теперь, предположим, что измерения должны быть сделаны в (космическом) пространстве, где нет гравитационного поля. От простого прикосновения шары начнут движение и в вакууме продолжат свое движение. Здесь измерение становится невозможным. Та же ситуация будет в результате использования предельно малых ядер.
Еще одна иллюстрация, уже использованная многими авторами, может быть взята из совершенно другой сферы. Предположим мы хотим определить цвет субстанции, которая выцветает, когда оказывается на свету. Здесь мы снова встречаемся с той же самой трудностью: использование нашего инструмента для измерения нарушает равновесие предмета нашего эксперимента.
Эти сложности, без сомнения присущие нашим пространственно-временным определениям, ощущ (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EE%F9%F3%F9)аются порой в аналогичной манере исследователями химии живого вещества. Действительно, некоторые субстанции, которые могут попасть в руки биохимиков экстраординарно чувствительны и трудны для измерений. Проблема даже шире, так как биохимия есть только инструмент, который используется, чтобы приобрести понимание живой материи.
Среди подходов к этому вопросу, используемых в настоящее время, находится физиология, которая унаследовала свои методы из медицины. Она процветает на необычной устойчивости жизни и способности организма компенсировать любую потерю и его умение переустановить любое нарушенное равновесие. Она использует нож исключительно редко и с величайшим благоразумием.
Еще один метод в сущности состоит из первого метода, связанного с физикой и химией, но только формально. С физической точки зрения он всецело уникален. Он включает изолирование и изучение того, что уже является изолированным самой Природой. Это утверждение может показаться немного парадоксальным, но как во всех важных достижениях, его простота есть его достоинство.
Кровь, будучи изолированной в венах и артериях является уникальным полем для подобного подхода. Она может быть получена и изучена мощными методами физической химии с уверенностью, что это часть живой материи. В менее решительном направлении, этот метод расширен до изучения индивидуальных мышц и нервов.
Последний метод является давно известным. Это метод разрушения. Я почти готов сказать, что он неизбежен в наших пространственно-временных координатах. Возможно, это так. В любом случае он присущ в нашей любознательности и рано проявляется желание (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%E6%E5%EB%E0%ED%E8%E5)м разбирать часы или велосипед. Метод ребяческий по своей простоте, а потому очень действенный. Он имеет больше приверженцев, чем любой другой метод. С точки зрения классической физики (я имею в виду физику последнего 19 века) это звучит экстремально.
Его природа (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EF%F0%E8%F0%EE%E4%E0) может быть суммирована в нескольких словах: разложить все элементы, из которых основывается живая материя и после изучения их природы (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EF%F0%E8%F0%EE%E4%FB), собрать их вновь вместе. Этот метод на первый взгляд, как будто, не имеет ограничений: все части могут быть разъединены и все могут быть соединены вместе. Первая часть этого подхода обогащена многочисленным и интересным материалом, но вторая половина, «собрать все вместе» прогрессирует, но мало. Нет сомнения, сложность частично лежит в недостаточном знании разных частиц, составляющих живую материю, но мы подозреваем, что значительный источник неопределенности возникает из слишком неумолимых методов, используемых в их дезинтеграции. Имеется слишком много «недостающих связей», о которых мы знаем мало или совсем ничего.
Эффективность оценочных сущностей зависит от нашей восприимчивости. Мы достаточно хорошо наделены в этом отношении. Экстремально малое количество света достаточно, чтобы стимулировать наши оптические центры. Присутствие нескольких молекул достаточно, чтобы стимулировать наш орган обоняния. При надлежащей тренировке мы могли бы, вероятно, выполнять значительную часть органического анализа просто по запаху. В этом отношении достижения самых известных дегустаторов вина оценены по достоинству.
С помощью подходящих механических устройств мы очень расширили наши наблюдательные возможности. Нет сомнения, мы можем видеть и измерять путь отдельного электрона. За последние пятьдесят лет открыты многие явления, существование которых никогда даже не предполагалось.
Принцип неопределенности применяется к нам простым фактом того, что мы принадлежим к материальной системе. Это утверждение оставляет широкую брешь между тем, что известно о биохимических субстанциях и тем, что может быть установлено из атомной физики. Однако было бы полезно визуализировать, что может быть сделано методом «разъединения частей и соединения их затем вместе». Очевидно, в этом случае, что все вещи не могут быть разъединены без их модификации, так как мы имеем дело с элементарными частицами, к которым принцип Гейзенберга полностью применим.
Давайте рассмотрим обратный процесс: синтез. За это биохимики без сомнения ответственны.
В детстве многие из нас практиковали изысканное искусство построения высоких башен из кубиков. Насколько позволяет судить мой персональный опыт, эти попытки заканчивались следующим образом. Желание построить башню выше и выше с последним кубиком приводило к обрушению целой конструкции. И, наоборот, отнятие единственного кубика из вершины высокой башни часто приводило заканчивалось тем же результатом.
Финальные стадии синтеза живой материи могут привести к ситуации очень похожей на только что описанную. Не модифицирует ли последний атом, который мы добавляем, всю цельную конструкцию в неконтролируемую сторону? Или, в более общих терминах, не приведет ли наша попытка воздействовать или модифицировать к изменению в системе, которое не может быть измерено? Факт, что мы построили, не обязательно означает, что мы знаем, как мы это сделали.
Принцип Гейзенберга и явные физические неопределенности, которые противоречат современной физике, могут иметь прямое значение для изучающего живую материю. Отсутствие детерминизма в любом описании феномена жизни может быть в реальности присуще нашему способу наблюдения физического мира.
http://kommunika.ru/wp-content/themes/twentyeleven/images/headers/trolley.jpg (http://kommunika.ru/wp-content/themes/twentyeleven/images/headers/trolley.jpg)
источник (http://pulse.webservis.ru)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
12.02.2013, 10:25
попытка убить Жизнь Вселенной:
http://pravda-team.ru/pravda/image/article/9/2/6/269926.jpeg (http://pravda-team.ru/pravda/image/article/9/2/6/269926.jpeg)
Канадские ученые провели эксперимент, который поставил под сомнение справедливость принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому, у одной частицы невозможно одновременно точно измерить два параметра ее движения. Но с помощью метода "слабых" измерений физикам это удалось.
Про знаменитый принцип неопределенности существует одна весьма остроумная шутка. Представьте себе ситуацию: специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: "Вы знаете, как быстро вы ехали, сэр?" На что физик отвечает: "Нет, но я точно знаю, где я!" Многие утверждают, что этот анекдот и есть самая лучшая формулировка гейзенберговского умозаключения.
Однако если перейти от шуток к текущей реальности, то следует вспомнить, что этот самый принцип, сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году, до сих пор является одним из краеугольных камней квантовой механики. Коротко его можно изложить так: любая попытка измерения положения частицы меняет ее импульс, следовательно, оба этих параметра не могут быть измерены одновременно с неограниченной точностью. Впрочем, Гейзенберг считал его справедливым для любой попытки одновременного описания пары свойств квантовых объектов.
При этом следует заметить, что этот принцип был открыт вовсе не от хорошей жизни. Когда ученые погрузились в изучение механики движения элементарных частиц в атомах, они постоянно ловили себя на том, что им не удается сразу определить и угловую скорость (импульс), и местоположение электрона. Более того, эта задача оказалась нерешаемой и даже теоретически, если действовать с позиций классической физики.
И вот молодой теоретик Вернер Гейзенберг, исследуя эту проблему, пришел к парадоксальному умозаключению: подобное не получается потому, что сам акт измерения может влиять на исследуемое свойство частицы. Приведем простой пример. Допустим, ученому нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Для этого он выпускает в атом квант света (то есть фотон), который натыкается на электрон, и это событие тут же фиксируется детектором (поскольку при этом будет вспышка света). Местоположение объекта, таким образом, оказывается определенным, а вот об импульсе электрона в рамках данного эксперимента уже сказать ничего нельзя, поскольку фотон, столкнувшись с электроном, изменил его значение.
Рассуждая подобным образом, Гейзенберг даже вывел формулу, которая давала общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. И она полностью подтвердила его предположение. В результате исследованиями коллеги заинтересовался сам Нильс Бор, который в том же году сформулировал так называемую Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, говорившую о том, что принцип неопределенности является непреложным законом мироздания на микроуровне.
Из нее следовало, что физическая Вселенная существует не в детерминистичной (то есть полностью определенной) форме, а скорее как набор вероятностей, или возможностей. Сторонники Копенгагенской интерпретации часто приводят такой пример: параметры изменения светового пучка, произведенного миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом (а Бор настаивал еще и на том, что это вообще принципиально невозможно).
Именно таким образом физики превратили ясную и четкую физическую картину мира (каким его видел, например, Ньютон) в расплывчатый набор вероятностных состояний и одновременно определили предел познания человек (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F7%E5%EB%EE%E2%E5%EA)ом законов мироздания. Не удивительно, что многие ученые сразу же восстали против этого. Например, Альберт Эйнштейн, который сразу же подверг сомнению справедливость такой интерпретации, выразился по поводу нее весьма категорично: "Бог не играет в кости". Великий ученый полагал, что невозможность вычисления двух параметров одной частицы происходит из-за того, что все время или неправильно ставится эксперимент, или не учитываются какие-то неизвестные пока переменные.
Впрочем, Нильс Бор (который дал коллеге достойный ответ: "Дорогой Альберт, не надо указывать Бог (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%C1%EE%E3)у, что ему следует делать") убедительно доказал, что дело тут не в постановке эксперимента и не в неполноте расчетов, а в том, что открытый Гейзенбергом принцип действительно является фундаментальным законом Вселенной. И хотя эта дискуссия продолжается последователями великих ученых до сих пор (точку зрения Бора развивает Роджер Пенроуз, а Эйнштейна — Стивен Хокинг), все-таки большинство теоретиков приняли Копенгагенскую интерпретацию как рабочую гипотезу. Они согласились считать ее верной до тех пор, пока не будет доказана возможность нарушения принципа неопределенности.
И вот, похоже, это все-таки случилось. Группа физиков из Торонто, которыми руководит профессор Ли Розема, продемонстрировала способ, с помощью которого можно непосредственно измерить оба состояния частицы с достаточно большой степенью точности. Исследователи применили метод, который был разработан еще в прошлом веке, однако эффективно был применен лишь в прошлом году, — так называемые "слабые измерения".
Суть этой методики состоит в том, что она позволяет собрать информацию о наблюдаемой величине, не оказывая существенного влияния на эволюцию квантовой системы. В реальности это выгляди так: при охлаждении жидким гелием ученым удается получить отдельные кванты света, которые после направляются в оптоволокно с внутренним светоделителем. Выходы из него соединяются с отдельными отрезками оптоволокна. За волоконными световодами устанавливался "экран" — ПЗС-камера.
Ключевым участником этого эксперимента является тонкий двоякопреломляющий кристалл кальцита CaCO3. Фотоны, выходящие из оптоволокон, налетали на этот кристалл под углом, зависящим от их поперечного импульса, а кальцит слегка изменял их поляризацию, причем это изменение также зависело от импульса. Таким образом впервые была продемонстрирована возможность достаточно точно измерить два параметра элементарной частицы одновременно (поскольку амплитуда вращения плоскости поляризации оставалась небольшой).
Так вот, группа Роземы еще более модифицировала данный метод. "Мы разработали аппарат для измерения свойства фотона — в частности, его поляризации. Затем мы определили, насколько сам фотон повлиял на аппарат. Чтобы сделать это, нам надо было измерить фотон до взаимодействия с измерительным прибором, но само это измерение также нарушало состояние (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F1%EE%F1%F2%EE%FF%ED%E8%E5) фотона", — так пояснил суть модификации сам профессор Розема.
Но как же это выглядело в реальности? На самом деле, достаточно просто. Еще до того, как каждый фотон был направлен в классическое измерительное устройство (дифракционную щель), исследователи измеряли его при помощи вышеописанной техники "слабого измерения", а после измеряли повторно, сравнивая полученные результаты. В итоге оказалось, что возмущение, внесенное самим измерительным прибором, было весьма и весьма мало и им запросто можно было пренебречь.
"Каждый фотонный выстрел давал нам совсем немного информации о возмущении, но многократно повторяя эксперимент, мы смогли получить очень точное представление о том, насколько менялось квантовое состояние (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F1%EE%F1%F2%EE%FF%ED%E8%E5) фотонов", — прокомментировал результаты опытов Ли Розема. При этом он подчеркнул, что хоть в данной работе и была продемонстрирована возможность точного измерения двух параметров частицы, однако для того чтобы полностью отказаться от принципа неопределенности и Копенгагенской интерпретации, нужно проделать еще много подобных исследований.
источник (http://www.pravda.ru)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
04.07.2013, 23:47
Принцип неопределенности Гейзенберга
Невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы
Цитаты.
Невозможно точно измерить скорость и местоположение элементарной частицы. Чем точнее вы измеряете одно, тем неопределеннее становится другое. Но есть аппаратная ошибка измерения, есть нарушение, вносимое измерением в состояние частицы, и есть неопределенность, имманентно присущая миру квантовых систем, которая не зависит от измерения.
Только эта точка зрения позволяет объяснить все результаты экспериментов и у нее только один недостаток - она абсолютно непонятна - в том смысле, что мы не можем применить практически никаких аналогий из нашей жизни.
Квантовая механика на основе точки зрения Бора отвергается людьми, так как она противоречит "здравому смыслу". Она предполагает:
1)корпускулярно-волновой дуализм (неделимый электрон может одновременно пройти через два отверстия);
2)коллапс волновой функции - мгновенный переход квантового объекта из одного состояния в другое (в частности, при взаимодействии с прибором);
3) Боюсь отпугнуть всех от квантовой механики, но она еще предполагает нелокальность - мгновенное действие на расстоянии - но об этом лучше не задумываться.
Фейнман говорил: Если квантовая механика не потрясла тебя - ты ее еще не понял.
В квантовой механике соотношение неопределённости возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Кроме этого принимается, что для частиц по крайней мере отчасти справедлив корпускулярно-волновой дуализм. В таком приближении положение частицы определяется местом концентрации соответствующей частице волны, импульс частицы связывается с длиной волны, и возникает наглядная аналогия между отношениями неопределённости Гейзенберга и свойствами волн или сигналов. Положение является неопределённым настолько, насколько волна распределена в пространстве, а неопределённость импульса выводится из неопределённости длины волны при её измерении в разные моменты времени. Если волна находится в точечноподобной области, её положение определено с хорошей точностью, но у такой волны в виде короткого волнового цуга отсутствует определённая длина волны, характерная для бесконечной монохроматической волны.
ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
Принцип, который Бор назвал дополнительностью,— одна из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени, с которой можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о физическом поле. Его общность не позволяет свести его к какому-либо одному утверждению — им надо овладевать постепенно, на конкретных примерах. Проще всего (так поступил в свое время и Бор) начать с анализа процесса измерения импульса р и координаты х атомного объекта.
Нильс Бор заметил очень простую вещь: координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс р атомной частицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты х мы должны поэтому взять другой — очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим.
Принцип неопределённости часто неправильно[источник не указан ] понимается или приводится в популярной прессе. Одна частая неправильная формулировка в том, что наблюдение события изменяет само событие. Вообще говоря, это не имеет отношения к принципу неопределённости. Почти любой линейный оператор изменяет вектор, на котором он действует (то есть почти любое наблюдение изменяет состояние), но для коммутативных операторов никаких ограничений на возможный разброс значений нет.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
04.07.2013, 23:49
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/fiziki-utochnili-printsip-neopredelennosti-geizenberga#.UdVCp3P675A.facebook
Физики уточнили принцип неопределенности Гейзенберга
Просмотр (http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/fiziki-utochnili-printsip-neopredelennosti-geizenberga)
What links here (http://www.nanonewsnet.ru/node/27886/backlinks)
Опубликовано ssu-filippov в 18 октября, 2012 - 00:00 http://www.nanonewsnet.ru/files/thumbs/2012/heisenberg_14-pic4-452x302-25771.jpg Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности в 1927 году.
Вернер Гейзенберг, открывший в 1927 году свой знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, был, оказывается, слишком пессимистичен, когда оценивал уровень этой неопределенности. К такому выводу пришли физики из Университета Торонто, проверив, что происходит с частицей после того, как она была подвергнута акту измерения.
Напомним: согласно принципу неопределенности Гейзенберга (справедливости ради отметим, что первым об этом замечательном принципе догадался Нильс Бор, но то ли по занятости, то ли из вежливости, то ли еще почему подарил догадку своему ученику и коллеге, который и довел ее до уровня основополагающей истины) невозможно точно измерить скорость и местоположение элементарной частицы. Чем точнее вы измеряете одно, тем неопределеннее становится другое. Но есть аппаратная ошибка измерения, есть нарушение, вносимое измерением в состояние частицы, и есть неопределенность, имманентно присущая миру квантовых систем, которая не зависит от измерения.
До сих пор эти две последних неопределенности часто путали.
Физики из Торонто создали установку, позволяющую измерять поляризацию одного фотона. С ее помощью они хотели понять, насколько измерение нарушает его квантовое состояние.
«Для этого нам нужно было измерить поляризацию фотона до того, как установка своим измерением вмешается и изменит это состояние, – говорит профессор Ли Розема, возглавляющий исследование. – Проблема состояла в том, что и это предварительное измерение тоже изменит состояние фотона».
Разрешить эту проблему физики смогли с помощью методики под названием «слабое измерение», когда измерение очень слабо воздействует на то, что оно измеряет. При этом, правда, получаемая информация оказывалась мизерной, однако ее можно увеличить, повторяя эксперимент множество раз и таким образом набирая статистику. Перед тем как послать фотон в измерительную установку, исследователи «слабым образом» измеряли его состояние, а потом проделывали с ним то же самое на выходе из установки.
http://www.nanonewsnet.ru/files/users/u2999/Part-6/vrez1.jpg Рис. 1. Дилан Малер (слева) и Ли Розема ставят свой эксперимент с уточнением принципа неопределенности Гейзенберга // Dylan Mahler.
Многократно бросая мимолетный взгляд на фотон «до» и «после», они в конце концов выяснили, что
вмешательство измерения оказывает намного меньшее воздействие на фотон, чем того требовали математические выкладки Гейзенберга.
Их результаты больше соответствовали новому соотношению «измерение-нарушение», математически выведенному в 2003 году японским теоретиком Масанао Оцавой из Нагойского университета. С тех пор никто не мог проверить его выкладки экспериментально.
Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters и были представлены на годовой конференции Общества физиков-оптиков, которая проходит в Рочестере (штат Нью-Йорк, США) на этой неделе.
«Нарушение, которое мы обнаружили, – говорит Розема, – оказалось много меньше того, которое люди наивно приписывали принципу Гейзенберга».
Сам принцип Гейзенберга, к счастью, так и остался непоколебимым, и квантовая механика не пострадала.
По словам Роземы, определяемая этим принципом неопределенность не есть результат измерения, она представляет собой внутреннее свойство субатомных частиц, состояние которых более обусловлено вероятностью.
1. gazeta.ru (http://www.gazeta.ru/science/2012/10/08_a_4804233.shtml)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
18.07.2013, 23:35
Квантовая телепортация
«Если нельзя измерить, то можно переслать»
Юджин Ползик провел для «Ленты.ру» ликбез по квантовой телепортации
http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/17/17/20130717173402229/detail_dba587f46cb0196206e10a6b8392e970.jpg (http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/17/17/20130717173402229/detail_dba587f46cb0196206e10a6b8392e970.jpg)
Кадр из сериала «Star Trek»
В июне 2013 года группе физиков под руководством Юджина Ползика удалось провести эксперимент по детерминистской телепортации коллективного спина 1012 атомов цезия на полметра. Эта работа (http://lenta.ru/articles/2013/07/18/teleport/www.nature.com/nphys/journal/v9/n7/full/nphys2631.html) попала на обложку Nature Physics. Почему это действительно важный результат, в чем заключались экспериментальные сложности и, наконец, что такое «детерминистская квантовая телепортация» «Ленте.ру» рассказал сам профессор и член исполнительного комитета Российского квантового центра (РКЦ (http://rqc.ru/)) Юджин Ползик.
«Лента.ру»: Что такое «квантовая телепортация»?
Чтобы понять, чем квантовая телепортация отличается от того, что мы видим, например, в сериале Star Trek, нужно понимать одну простую вещь. Наш мир устроен таким образом, что, если мы хотим что-то узнать о чем угодно, то в мельчайших деталях мы всегда будем делать ошибки. Если мы, допустим, возьмем обычный атом, то одновременно измерить скорость движения и позицию электронов в нем не удастся (это то, что называется принципом неопределенности Гейзенберга). То есть нельзя представить результат в виде последовательности нулей и единиц.
В квантовой механике, однако, уместно задать такой вопрос: даже если результат нельзя записать, то, может быть, его все равно можно переслать? Этот процесс пересылки информации за пределами точности, допустимой классическими измерениями, и называется квантовой телепортацией.
Когда впервые появилась квантовая телепортация?
http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/17/17/20130717171652179/preview_6f084a808c76ce0495db323d6d83de83.jpg (http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/17/17/20130717171652179/preview_6f084a808c76ce0495db323d6d83de83.jpg) Юджин Ползик, Профессор института Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра
B 1993 году шесть физиков — Беннет, Броссар и другие — написали в Physical Review Letters статью (pdf (http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-bennetc/BBCJPW.pdf)), в которой и придумали замечательную терминологию для квантовой телепортации. Замечательную еще и потому, что на публику эта терминология с тех пор оказывает исключительно положительное влияние. В их работе протокол передачи квантовой информации был описан чисто теоретически.
В 1997 году была осуществлена первая квантовая телепортация фотонов (на самом деле экспериментов было два — группы Заиллингера и Де Mартини; Заиллингера просто больше цитируют). В работе они телепортировали поляризацию фотонов — направление этой поляризации суть квантовая величина, то есть такая величина, которая принимает различные значения с разной вероятностью. Как оказалось, измерить эту величину нельзя, а вот телепортировать можно.
Тут надо вот что учесть: в экспериментах Заиллингера и Де Mартини телепортация была вероятностной, то есть работала с некоторой вероятностью успеха. Им удалось достичь вероятности не меньше 67 (2/3) процентов — то, что по-русски уместно назвать классическим пределом.
Телепортация, о которой идет речь, получила название вероятностной. В 1998 году мы в Калифорнийском технологическом институте сделали так называемую детерминистскую телепортацию. У нас телепортировались фаза и амплитуда светового импульса. Они, как говорят физики, так же как скорость и местоположение электрона, являются «некоммутирующими переменными», поэтому подчиняются уже упоминавшемуся принципу Гейзенберга. То есть не допускают одновременное измерение.
Атом можно представить себе в виде маленького магнита. Направление этого магнита и есть направление спина. Управлять ориентацией такого «магнита» можно с помощью магнитного поля и света. У фотонов — частиц света — тоже есть спин, который еще называют поляризацией.
В чем разница между вероятностной и детерминистской телепортациями?
Чтобы ее объяснить, сперва надо чуть подробнее поговорить про телепортацию. Представьте, что в пунктах A и B расположены атомы, для удобства — по одной штуке. Мы хотим телепортировать, скажем, спин атома из A в B, то есть привести атом в пункте B в такое же квантовое состояние, что и атом A. Как я говорил уже, для этого одного классического канала связи недостаточно, поэтому потребуются два канала — один классический, другой квантовый. В качестве переносчика квантовой информации у нас выступают кванты света.
Сначала мы пропускаем свет через атом B. Происходит процесс запутывания, в результате чего между светом и спином атома устанавливается связь. Когда свет приходит в А, то можно считать, что между двумя пунктами установился квантовый канал связи. Свет, проходя через A, считывает информацию с атома и после этого свет ловится детекторами. Именно этот момент можно считать моментом передачи информации по квантовому каналу.
Теперь остается передать результат измерений по классическому каналу в B, чтобы там, на основе этих данных, выполнили некоторые преобразования над спином атома (например, поменяли магнитное поле). В результате, в точке B атом получает спиновое состояние атома A. Телепортация завершена.
В реальности, однако, фотоны, путешествуя по квантовому каналу, теряются (например, если этот канал — обычное оптоволокно). Главное отличие между вероятностной и детерминистской телепортациями как раз и заключается в отношении к этим потерям. Вероятностной все равно, сколько там потерялось — если из миллиона фотонов хотя бы один дошел, то уже хорошо. В этом смысле, конечно, она больше подходит для пересылки фотонов на большие расстояния (в настоящее время рекорд составляет 143 километра — прим. «Ленты.ру»).
Детерминистская же телепортация к потерям относится хуже — вообще говоря, чем выше потери, тем хуже качество телепортации, то есть на принимающем конце провода получается не совсем исходное квантовое состояние — но зато она работает каждый раз, когда, если сказать грубо, нажимаешь на кнопку.
Запутанное состояние света и атомов по сути представляет собой запутанное состояние их спинов. Если спины, скажем, атома и фотона запутаны, то измерения их параметров, как говорят физики, коррелируют. Это означает, что, например, если измерение спина фотона показало, что он направлен вверх, то спин атома будет направлен вниз; если спин фотона оказался направлен вправо, то спин атома будет направлен влево и так далее. Фокус заключается в том, что до измерения ни у фотона, ни у атома определенного направления спина нет. Как получается, что, несмотря на это, они коррелируют? Тут как раз и должна начать «кружиться голова от квантовой механики», как говорил Нильс Бор.
Юджин Ползик
И как у них различаются сферы применения?
Вероятностная, как я говорил, подходит для передачи данных на большие расстояния. Скажем, если в будущем мы захотим построить квантовый интернет, то нам потребуется именно телепортация такого типа. Что касается детерминистской, то она может быть полезна для телепортации каких-нибудь процессов.
Тут сразу надо пояснить: сейчас такой прямо уж четкой границы между этими двумя видами телепортации нет. Например, в Российском квантовом центре (и не только в нем), разрабатываются «гибридные» системы квантовых коммуникаций, где частично используется вероятностный, а частично — детерминистский подходы.
В нашей же работе телепортация процесса была такой, знаете, стробоскопической — речь о непрерывной телепортации пока не идет.
То есть это дискретный процесс?
Да. На самом деле телепортация состояния, она, естественно, может произойти только один раз. Одна из вещей, которые квантовая механика запрещает, — это клонирование состояний. То есть если вы телепортировали что-то, то вы это уничтожили.
Расскажите о том, что удалось сделать вашей группе.
http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/18/12/20130718120136609/preview_41302951e6900c814d528f1a81cbac42.jpg (http://icdn.lenta.ru/images/2013/07/18/12/20130718120136609/preview_41302951e6900c814d528f1a81cbac42.jpg)
У нас был ансамбль атомов цезия, и телепортировали мы коллективный спин системы. Газ у нас находился под воздействием лазера и магнитного поля, поэтому спины атомов были ориентированы примерно одинаково. Неподготовленный читатель может это представлять себе так — наш коллектив есть большая магнитная стрелка.
У стрелки есть неопределенность направления (это и значит, что спины ориентированы «примерно» одинаково), та самая гейзенбергова. Измерить направление этой неопределенности точнее невозможно, а вот телепортировать положение — вполне. Величина этой неопределенности составляет единицу на квадратный корень из числа атомов.
Тут важно сделать вот какое отступление. Моя любимая система — это газ атомов при комнатной температуре. Проблема с этой системой такая: при комнатных температурах квантовые состояния быстро разваливаются. У нас же, однако, эти спиновые состояния живут очень долго. И удалось этого добиться благодаря сотрудничеству с учеными из Санкт-Петербурга.
Они разработали покрытия, которые по-научному называются алкеновыми. По сути это что-то очень похожее на парафин. Если напылить такое покрытие на внутреннюю часть стеклянной ячейки с газом, то молекулы газа летают (со скоростью 200 метров в секунду) и сталкиваются со стенками, но ничего с их спином не происходит.
Порядка миллиона столкновений они так могут выдержать. У меня такое визуальное представление этого процесса: покрытие — это как целый лес лиан, очень больших, а спину для того, чтобы испортиться, нужно свой спин кому-то передать. А там это все такое большое и связанное, что передавать некому, поэтому он туда заходит, побарахтается и вылетает обратно, и ничего с ним не происходит. С этими покрытиями мы начали работать лет 10 назад. Сейчас их усовершенствовали и доказали, что с ними можно работать и в квантовой области.
Так вот, вернемся к нашим атомам цезия. Они были при комнатной температуре (это хорошо еще и потому, что алкеновые покрытия высоких температур не выдерживают, а чтобы получить газ, обычно надо что-то испарить, то есть нагреть).
Вы телепортировали спин на полметра. Такое небольшое расстояние — принципиальное ограничение?
Нет, конечно. Как я говорил, детерминистская телепортация не терпит потерь, поэтому лазерные импульсы у нас шли по открытому пространству — если бы мы загоняли их обратно в оптоволокно, то неизменно были бы какие-то потери. Вообще говоря, если там футуризмом заниматься, то вполне можно таким же лучом стрелять в спутник, который будет переправлять сигнал куда надо.
Вы говорили, что в планах у вас непрерывная телепортация?
Да. Только тут непрерывность следует понимать в нескольких смыслах.
С одной стороны у нас в работе 1012 атомов, поэтому дискретность направления коллективного спина настолько крошечная, что можно описывать спин непрерывными переменными. В этом смысле и наша телепортация была непрерывной.
С другой стороны, если процесс меняется во времени, то можно говорить о его непрерывности во времени. Значит, я могу делать следующее. У этого процесса есть, допустим, какая-то временная постоянная — допустим, он происходит за миллисекунды, и вот я взял и разбил его на микросекунды, и «бум» после первой микросекунды телепортировал; потом придется вернуть в начальное состояние.
Каждая такая телепортация, конечно, уничтожает телепортируемое состояние, однако внешнее возбуждение, которое этот процесс вызывает, не трогает. Поэтому по сути мы телепортируем некий интеграл. Этот интеграл мы можем «развернуть» и узнать что-то о внешних возбуждениях. Теоретическая работа, в которой все это предлагается, только что вышла (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i2/e020501) в Physical Review Letters.
На самом деле такое телепортирование туда-сюда можно использовать для очень глубоких вещей. У меня здесь чего-то происходит, и здесь чего-то происходит, и с помощью телепортационного канала я могу симулировать взаимодействие — как будто бы эти два спина, которые никогда между собой не взаимодействовали, в действительности взаимодействуют. То есть такая квантовая симуляция.
А квантовая симуляция — это то, отчего все сейчас прыгают. Вместо того чтобы факторизовать миллионные цифры, можно просто симулировать. Вспомнить тот же D-wave.
Детерминистская телепортация может использоваться в квантовых компьютерах?
Может, но тогда необходимо будет телепортировать кубиты. Тут уже потребуются всякие алгоритмы коррекции ошибок. А их сейчас только начинают разрабатывать.
Беседовал Андрей Коняев
Источник (http://lenta.ru/articles/2013/07/18/teleport/)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
11.03.2014, 09:19
Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов
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, 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 проводить 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 иллюзорное порождение 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 взаимодействовав 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 термодинамики 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.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
25.03.2014, 08:56
Прорывной эксперимент показал, что время «возникает» в результате спутывания квантовых частиц
Физики заявляют: время – это возникающий феномен, побочный эффект квантового спутывания частиц. И теперь у них впервые в мире появились экспериментальные результаты, которые это подтверждают.
В 1983 году физики-теоретики Дон Пейдж и Уильям Вутерс предложили новаторскую теорию, основанную на феномене квантового спутывания. Это экзотическое свойство позволяет двум квантовым частицам иметь общее существование, даже если они физически разделены.
Квантовое спутывание – это глубинная и мощная связь, и Пейдж и Вутерс продемонстрировали, что её можно использовать для измерения времени. Их идея заключалась в том, что способ, которым пара спутанных частиц эволюционирует, представляет собой некоторый вид часов, которые можно использовать для измерения времени.
Но получаемые в их концепции результаты зависели от того, как проводилось наблюдение. Одним из способов является сравнение изменений в спутанных частицах с помощью внешних часов, которые полностью независимы от вселенной. Это эквивалент богоподобного наблюдателя за пределами нашей вселенной, измеряющего эволюцию частиц с помощью внешних часов.
В данном случае Пейдж и Вутерс показали, что частицы будут полностью неизменными – время в таком сценарии не будет существовать.
Но есть и другой способ, который даёт иной результат. В нём наблюдатель является внутренним и сравнивает эволюцию частиц с помощью остальной вселенной. В таком случае внутренний наблюдатель будет видеть изменение, и эта разница в эволюции частиц в сравнении со всем остальным будет важной мерой времени.
Это изящная и мощная концепция. Она предполагает, что время – это возникающий феномен, который появляется в реальности благодаря природе квантового спутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри нашей вселенной. Любой богоподобный наблюдатель за её пределами будет видеть статичную неизменяющуюся вселенную, как прежде предсказывало более раннее квантовое уравнение Уилера-ДеВитта.
Разумеется, без экспериментального подтверждения идеи Пейджа и Вутерса не более чем философский курьёз. А поскольку у нас нет никакой возможности получить наблюдателя за пределами нашей вселенной – то, по-видимому, у нас нет и никаких шансов когда-либо подтвердить эту теорию.
По крайней мере, так было до сегодняшнего дня. Несколько дней назад Екатерина Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. И они продемонстрировали, что время действительно является возникающим феноменом для внутренних наблюдателей, но его не существует для наблюдателей внешних.
Этот эксперимент включает в себя создание игрушечной вселенной, состоящей из пары спутанных фотонов и наблюдателя, который может измерять их состояние одним из двух способов. В первом наблюдатель измеряет эволюцию системы, спутывая себя с ней. Во втором богоподобный наблюдатель измеряет эволюцию в сравнении с внешними часами, которые полностью независимы от игрушечной вселенной.
0 Txyx0XyYp6ZwebFl
Сам эксперимент достаточно прямолинеен. Каждый из спутанных фотонов имеет поляризацию, которая может быть изменена прохождением через двулучепреломляющую пластинку. В первом случае наблюдатель измеряет поляризацию одного фотона, таким образом, спутываясь с ним. Затем он сравнивает результат с поляризацией второго фотона. Полученная им разница и будет мерой времени.
Во втором случае оба фотона также проходят через двулучепреломляющие пластинки, которые изменяют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.
В этом случае наблюдатель не может заметить какой-либо разницы между фотонами, не приходя в состоянии спутанности с одним из них. А если нет никакой разницы, система предстаёт перед ним статичной. Другими словами – время в ней не возникает.
«Хотя она и невероятно проста, наша модель объединяет два противоречащих друг другу, как казалось прежде, свойства механизма Пейджа-Вутерса», говорит Морева.
Это весьма впечатляющий эксперимент. Появление чего-либо является популярной концепцией в науке. В частности, недавно физики заинтересовались идеей, что гравитация также является таким возникающим феноменом. А отсюда до идеи о сходном механизме возникновения времени оставался всего один шаг.
Чего не хватает возникающей гравитации – это, разумеется, экспериментальной демонстрации, которая показывала бы, как это работает на практике. Именно поэтому работа Моревы имеет такое важное значение – она впервые в мире помещает абстрактную и экзотическую идею на устойчивое экспериментальное основание.
А возможно самым важным результатом этой работы является то, что ей впервые удалось продемонстрировать, что квантовая механика и общая теория относительности не так уж несовместимы.
Следующим шагом станет дальнейшее развитие идеи, в частности – на макроскопическом уровне. Одно дело показать, как время возникает в фотонах, и другое – понять, как оно возникает для людей.
И это будет непростой работой.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
20.07.2014, 00:01
Принцип дополнительности и «картина мира» по Нильсу Бору Нильс Бор считал, что впервые сформулированный им для приложения к физике принцип дополнительности имеет большую степень общности и применим в других областях деятельности.
«В предвоенные годы Бору представился ещё одни случай расширить диапазон идеи дополнительности или, вернее говоря, откристаллизовать свои мысли по этому вопросу. В
1938 г. его пригласили выступить на Копенгагенском конгрессе антропологии и этнографии. В огромном зале замка Кронберг Бор выступил с докладом о дополнительных сторонах человеческих культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0). Выбор темы был если не продиктован, то, во всяком случае, сделан под влиянием охватившего всех нас растущего беспокойства по поводу бессмысленного растрачивания культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)ного наследия, совершаемого одной, безумием ослеплённой нацией перед глазами беспомощного и нерешительного человечества. Все, кто служил науке, были глубоко потрясены тем, как искажённые до гротеска научные доктрины использовались для оправдания самых страшных жестокостей.
В своём выступлении Бор стремился разоблачить эти опасные заблуждения при помощи своего мощного метода. Он напомнил присутствующим о дополнительных связях в развитии человеческого общества. Во-первых, люди имеют чисто биологические свойства, которые передаются по наследству; во-вторых, - общие убеждения и идеи, которые лежат в основе традиций устной и письменной речи.
Бор утверждал, что только последняя, а не первая дополнительность может по праву рассматриваться культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)ным элементом общества. Ссылаясь на тот факт, что всякая культура (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0%E0), независимо от её уровня развития, достигает своеобразной гармонии. Бор подчеркнул, что следует считать совершенной случайностью, что какая-либо культура (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0%E0) принадлежит тому или иному, а не нашему обществу. Однако с тонкий иронией Бор отметил, что благодаря такому взгляду мы отказываемся от предрассудков о превосходстве собственной культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)ы, свойственных всякой человеческой культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)е, замкнутой в себе».
Л. Розенфельд, Развитие принципа дополнительности / в Сб. статей: Нильс Бор. Жизнь и творчество, М., «Наука», 1967 г., с. 85-86.
«Сам Нильс Бор, по словам его сына Ханса, находясь в Японии, образно объяснил суть принципа дополнительности: талантливый японский художник Хокусай создал свои «Сто картин Фудзиямы», и именно совокупность разных впечатлений, сложившихся при различном освещении, в разные времена года и под разными углами зрения, оказалась способной воссоздать бог (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%E1%EE%E3)атство изменчивой, удивительной, очаровательной, всегда разной, но, тем не менее, единственно сущей в реальности Фудзиямы. Гора всё время являет наблюдателю иной облик, иной поворот своей сущности, но она всегда - одна... Примерно так, весьма наглядно для японцев, высказался великий физик».
Андреев Ю.А., Исцеление человек (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F7%E5%EB%EE%E2%E5%EA)а, СПб, «Респекс», 1995 г., с. 21.
По воспоминаниям современников, Нильс Бор иногда использовал и такую формулировку:
«Противоположность верного утверждения - ложное утверждение. Но противоположностью глубокой истин (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%E8%F1%F2%E8%ED)ы может оказаться другая глубокая истина (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%E8%F1%F2%E8%ED%E0)».
Вернер Гейзенберг, Часть и целое. Беседы вокруг атомной физики, М., «Наука», 1989.г., с. 226.
Позже отечественный исследователь Ю.М. Лотман напишет:
«…механизм культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)ы может быть описан в следующем виде: недостаточность информации, находящейся в распоряжении мыслящей индивидуальности, делает необходимым для неё обращение к другой такой же единице. Если бы мы могли представить себе существо, действующее в условии полной информации, то естественно было бы предположить, что оно не нуждается в себе подобном для принятия решений. Нормальной для человек (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F7%E5%EB%EE%E2%E5%EA)а ситуацией является деятельность в условиях недостаточной информации. Сколь ни распространяли бы мы круг наших сведений, потребность в информации будет развиваться, обгоняя темп нашего научного прогресса. Следовательно, по мере роста знания незнание будет не уменьшаться, а возрастать, а деятельность, делаясь более эффективной, - не облегчаться, а затрудняться. В этих условиях недостаток информации компенсируется её стереоскопичностью - возможностью получить совершенно иную проекцию той же реальности - перевод её на совершенно другой язык. Польза партнёра по коммуникации заключается в том, что он другой».
Цитируется по: Руднев В.П., Энциклопедический словарь культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0)ы XX века. Ключевые понятия и тексты, М., «Аграф», 2009 г., с. 320-321.
"Диалог культур (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%EA%F3%EB%FC%F2%F3%F0) и принцип дополнительности" Розов М.А.
http://rozova.net/wp-content/uploads...ti_RozovMA.pdf (http://rozova.net/wp-content/uploads/2014/02/Dialog_kultur_i_princip_dopolnitelnosti_RozovMA.pd f)
Источник: http://vikent.ru/enc/1631/
Бор, такая красивая теория о дополнении и такое ее красивое решение )) Есть над чем поразмыслить.
Гордоновские передачи были интересны тем же свободным разговором на тему.
Контроль вообще не "про жионь", а про какие-то особые уникальные, единственно возможные условия, в которых система может существовать (а человек в этом смысле тоже система). Именно существовать.
Контроль присущ закрытым системам, которых неизбежно пожрет энтропия.
Живая система пластична относительно своих границ, в направлениях и наружу и вовнутрь Восприятие и пластичность.
---
http://psylib.ukrweb.net/books/aleki01/index.htm
И.С.Алексеев
ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
Из кн.: Методологические принципы физики. История и современность.
М.: Наука, 1975, гл.VIII
---
Та же психофизиологическая проблема решается скорее всего через этот же принцип дополнительности: рассматриваем человек (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F7%E5%EB%EE%E2%E5%EA)а как систему органов - одна картина, как систему высших психических функций - другая картина.
А человек (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%F7%E5%EB%EE%E2%E5%EA)-то, вол он, перед нами, единый и неделимый. Живет себе и ни сном ни дух (http://www.solium.ru/forum/vbglossar.php?do=showentry&item=%E4%F3%F5)ом, что психологи с биологами подрались. ))
http://www.solium.ru/forum/showthread.php?p=162668#post162668
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
01.08.2014, 09:50
О квантовых "чудесах"... Ученые впервые наблюдали квантовый парадокс Чеширского кота
http://mtdata.ru/u30/photoF40D/20402327643-0/original.jpg#20402327643
Изображение: Vienna University of Technology
Физикам Франции, Австрии и США в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) удалось провести эксперимент, в результате которого они измерили магнитный момент нейтрона независимо от положения самого нейтрона. Явление, которое наблюдали ученые, называется парадоксом Чеширского кота. Результаты своих опытов авторы опубликовали в журнале Nature Communications.
Ученые разделили пучок нейтронов на два в зависимости от ориентацииспинов частиц в них: направления одних совпадали с направлением внешнего магнитного поля, других были противоположны ему. В результате проведения серии измерений, включающих в себя слабое измерение, ученым в одном из пучков удалось отследить следы частиц (измерить поляризациюнейтронов в магнитном поле) из другого, как если бы они там были.
Слабое измерение в квантовой механике предполагает малое возмущение частицы измеряемым прибором. Однако такой способ извлечения информации о наблюдаемых предполагает невысокую точность получаемых результатов измерений и, как следствие, большое количество измерений, которое смог обеспечить мощный источник нейтронов в Институте Лауэ-Ланжевена.
В своем эксперименте физики использовали нейтронный интерферометр — прибор, который позволяет наблюдать волновые свойства нейтральных нуклонов: единый пучок нейтронов пропускается через интерферометр, где разделяется на два, которые интерферируют между собой и приводят к образованию соответствующей картины. С точки зрения квантовой механики, это есть проявление корпускулярно-волнового дуализма, в котором волновые свойства связаны с наложением волн де Бройля — суперпозицией волновых функций частиц. При этом существенно классическое понятие траекториичастицы теряет смысл: нейтрон может быть одновременно в двух пучках.
Теоретическая идея о парадоксе Чеширского кота появилась недавно и сводится к тому, что свойства некоторого объекта могут быть определены (измерены наблюдаемые частицы) там, где его нет. В классической физике это невозможно из-за принципа локальности, согласно которому кроме самого объекта его свойства могут зависеть лишь от его ближайшего окружения.
В квантовой механике ситуация другая: квантовая запутанность предполагает, что подсистемы ранее единой системы после разнесения их на расстояния друг от друга продолжают испытывать взаимное влияние. Обсуждение соотнесения принципа локальности и квантовой запутанности принимает различные формы, в зависимости от интерпретации квантовой механики.
Чеширский кот является одним их героев сказки английского писателя и математика Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране чудес». Животное могло исчезать и оставлять на своем месте собственную улыбку. Ученые считают, что использование парадокса Чеширского кота поможет в создании будущих высокоточных метрологических приборов, а также квантовых устройств с низкой степенью помех, которые возникают из-за вероятностного характера измерений.
Лента.Ру
Проблемы квантовой теории или небольшая экскурсия в квантовую метафизику
http://mtdata.ru/u16/photo6584/20179254794-0/original.jpg#20179254794 В последнее время, особенно в связи с появлением качественно новых приложений квантовой теории, таких, например, как квантовая информатика, включающая в себя квантовую криптографию, квантовую телепортацию и, самое главное, активно развивающиеся работы направленные на создание квантового компьютера, напрямую использующие все особенности квантового мира, на первый план выходят вопросы наиболее глубокого понимания этих особенностей и, самое главное, более глубокого и однозначного понимания результатов, к которым приводят эти особенности. В этой статье мы попробуем увидеть то, что принципиально отличает непривычный нам квантовый мир от хорошо известного и уютного и так привычного нам классического и посмотрим только на один из возможных вариантов решения имеющихся проблем. И начнем мы с краткого обзора того, что отличает квантовую физику от классической, но при этом ей нисколько не противоречит.
Наиболее глубокое отличие между классической и квантовой теориями лежит в особой роли эксперимента, или иными словами, в особой роли измерения параметров исследуемой квантовой системы. Речь идет о проблеме измерения в квантовой теории. Если говорить совсем просто, эта проблема связана с тем, что, пытаясь провести измерения параметров микроскопической системы, экспериментатор с необходимостью воздействует на микроскопическую систему макроскопическим прибором, тем самым с неизбежностью сильно изменяя состояние квантовой системы. Формально это выражается в том, что пока измерение не было проведено квантовая система, описываемая основным уравнением квантовой механики уравнением Шредингера, находится в суперпозиции (сумме) собственных состояний, которые могут быть реализованы с той или иной вероятностью. Такое описание полностью детерминировано, поскольку, зная начальное состояние системы, мы можем однозначно описать ее эволюцию в вероятностном ключе. Иными словами, мы не можем указать, в каком именно состоянии находится наша система, но как изменятся вероятные состояния этой системы, указать можем. Однако экспериментатор, проводя измерения (воздействуя на систему макроскопическим прибором) обнаруживает ее в каком-то определенном состоянии, ставшем в процессе измерения, из вероятного реально существующим. Такая ситуация с необходимостью привела к появлению проективного постулата фон Неймана, который носит чисто вероятностный характер и описывает практически непредсказуемые изменения в системе, возникающие в результате проведенного экспериментатором измерения, нарушая тем самым детерминированность описания. Даже зная в каком состоянии находилась система в начальный момент времени, невозможно предсказать точно результат измерения. Понятно, что такая ситуация не вполне корректна, если мы говорим о фундаментальной физической теории. Ведь точно так же, как и квантовая система, являющейся физической системой, так и прибор, который использовал экспериментатор, тоже является физической системой, а сам эксперимент является физическим процессом. Потому и исследуемая система и эксперимент, да и используемый в эксперименте прибор должны описываться единообразно. Вот тут и возникает вопрос о том, как примирить проективный постулат фон Неймана с возникающим противоречием?
Нильс Бор, сформулировав свою копенгагенскую интерпретацию, ответил на этот вопрос так. Поскольку прибор является макроскопически большим, то к нему просто неприменимы законы квантовой теории, а он обязан быть таковым, поскольку его свойства должны непосредственно восприниматься экспериментатором, так, как это имеет место в классической физике. Он и должен описываться исключительно законами классической физики. А уравнение Шредингера и проективный постулат фон Неймана применимы только к квантовым системам, причем последний вступает в силу, только если квантовая система вступает во взаимодействие с классическим прибором.
Эта точка зрения оказалась весьма удобной для применения и большинство физиков, особенно занимающихся расчетом реальных квантовых систем, другие точки зрения на этот вопрос просто не интересовали. Однако, из копенгагенской интерпретации с неизбежностью следует вывод о том, что наш физический мир разделен на два, абсолютно разных типа объектов – на квантовые и классические объекты, каждый из которых подчиняются своим собственным законам, что является не вполне понятным и приемлемым. И, как результат, стали возникать квантовые парадоксы, к формулировке которых приложили руку выдающиеся физики: Шредингер, Вигнер, Эйнштейн, Бор, Паули. Уиллер, Де Витт и многие другие. Это, например, известный большинству читателей парадокс кота Шредингера, парадокс друга Вигнера, парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена.
Есть и еще один момент, который стоит упомянуть. Он связан с тем, что тем или иным образом любое измерение с необходимостью связано с осознания его экспериментатором и поэтому результат эксперимента просто не отделим от осознания его человеком, проводящим его. Отделить сам эксперимент от осознания его результатов просто не удается, даже если об этом не вспоминать.
Но мы не будем углубляться в тонкости копенгагенской интерпретации квантовой теории и ее критики (желающих совершить этот подвиг могу отослать к замечательной книге Садбери [1], ссылку на которую интересующиеся могут найти в конце статьи), а продолжим знакомство с отличиями квантовой теории от классической.
Остальные отличия являются не столь принципиальными, как проблема измерения, но сами по себе достаточно интересны и стоят хотя бы короткого упоминания:
1.Квантовая теория принципиально отличается от теорий, возникших до нее, не только тем, что ее предсказания носят вероятностный характер, но и тем, что вероятность лежащая в ее основе носит принципиально фундаментальный характер. Если использование понятия вероятности в других теориях обусловлено неполнотой информации об исследуемой системе и полагается, что понятие вероятности можно из этих теорий исключить, получив более полные сведения о предмете исследования, то в квантовых теориях получение полной информации о системе невозможно в силу фундаментальных принципов, таких как принцип неопределенности, имеющих свое отображение в соотношении неопределенностей Гейзенберга или, в наиболее общем виде, в соотношении неопределенностей Шредингера.
Эту особенность квантовой теории не столько сложно понять, сколько сложно принять. Дело в том, что в классической физике существует основное допущение, гласящее, что всякому событию должна предшествовать его причина. Однако если квантовые законы имеют принципиально вероятностный характер, то отдельные моменты квантовых явлений могут и не иметь предвосхищавших их причин. Именно с этим моментом и связано знаменитое выражение Эйнштейна: «Я не могу поверить, что Бог играет в кости».
Из этой ситуации, если посмотреть на нее несколько иначе, можно сделать вывод о том, что утверждение «каждое событие имеет свою причину» мы должны рассматривать не как непреложную истину, неподлежащую сомнениям, а как утверждение о наших намерениях искать причину любого события. Самим своим существованием квантовая теория доказывает это положение;
2. Наиболее загадочным в квантовой теории является способ, которым определенные свойства приписываются частицам в квантовой системе. В отличие от классической физики, это отличие имеет два момента. Во-первых, в квантовой теории отрицается наличие определенных значений тех характеристик, которыми оперирует классическая физика. Делается утверждение, что квантовая частица может, например, не иметь определенного положения в пространстве и определенного значения импульса (одно из соотношений неопределенностей Гейзенберга).
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
01.08.2014, 09:51
Особенно удивительно то, что если частица в определенный момент времени и имеет определенное положение в пространстве (частица локализована), то ее импульс не может быть определен в принципе. Но более того, невозможно точно сказать, где она будет локализована в последующие промежутки времени. Или, другими словами, привычное в классической механике понятие траектории частицы в квантовой теории просто неприменимо, поскольку это понятие с необходимостью требует одновременного с локализацией частицы точного определения ее импульса. А на эту процедуру в квантовой механике наложен принципиальный запрет. Согласитесь, что представить себе такую частицу в рамках наших привычных воззрений достаточно сложно.
Во-вторых, и это более существенно, в квантовой теории вообще не определен статус такого понятия, как свойства системы, когда она не находится в собственном состоянии, т.е., когда осуществляется на систему внешнее воздействие. Непонятно вообще обладает ли система в момент измерения таким свойством, находится ли в одном из собственных состояний. Дело в том, что в процессе измерения можно получить конкретное значение для любой наблюдаемой (наблюдаемой в физике называют любой параметр системы поддающийся измерению). Наблюдаемую можно измерить, придать ей любое значение, так что, нельзя утверждать, что полученные результаты бессмысленны.
Однако с другой стороны любое измеренное значение может быть фальсифицировано самим процессом измерения, который есть ни что иное, как эксперимент над квантовой системой, переводящий систему из собственного состояния в некое, достаточно неопределенное, новое состояние, при этом не являющиеся собственным;
3. Положим, что квантовая система состоит, например, из двух частей. Тогда ее состояние можно описать суперпозицией (суммой) двух векторов состояния, построенных по соответствующему закону. Заметим, что подобная ситуация и обсуждалась в знаменитой статье Эйнштейна, Подольского, Розена в которой и был сформулирован знаменитый парадокс, носящий имя авторов этой статьи. Когда система находится в подобном состоянии, оказывается невозможным утверждение, что какая-либо из подсистем находится в определенном состоянии, но возможно получить информацию об одной из подсистем, произведя эксперимент над другой подсистемой.
Таким образом, квантовая теория просто отрицает возможность описания окружающего нас мира путем деления на его на части с последующим описанием этих частей. Этот момент является довольно неординарным по своей сути.
4. Ненадолго вернемся к проективному постулату, который обсуждался немного выше. И просто сформулируем некоторые итоги этого обсуждения. Мы видели, что проективный постулат фон Неймана фактически является довольно плохо определенной процедурой. В нем нет точного определения, что есть на самом деле процесс измерения параметров квантовой системы. Нет никакого указания ни на момент времени, ни на механизм перехода системы из достаточно произвольного вероятностного состояния в обнаруженное в результате эксперимента конкретное состояние.
И, во-вторых, сам по себе проективный постулат фон Неймана является дуалистичным, поскольку он требует принципиального разделения нашего мира на квантовый микроскопический мир и на макроскопический классический мир. Он так же разделяет закон временной эволюции на закон, определяемый детерминированным (строго упорядоченным во времени) основным уравнением квантовой механики – уравнением Шредингера и на строго вероятностный закон, не вполне определенный проективным постулатом фон Неймана, что хорошо иллюстрируется известным парадоксом с котом Шредингера.
Другими словами, он делает физические события следствиями наблюдений вместо того, что бы полагать, что события наблюдаются только потому, что они действительно произошли в окружающем нас мире.
Проективный постулат фон Неймана сформулирован в строго локальной форме, когда неявно полагается, что измерения происходят мгновенно, и, следовательно, является чистой абстракцией, не учитывающий тот момент, что реальные измерения никогда не являются мгновенными. Это всегда протяженный во времени процесс. Из этого с необходимостью возникает вывод, что проективный постулат фон Неймана в некотором смысле чужероден самой сути квантовой теории и введен в нее по необходимости, что бы хоть как-то пояснить саму процедуру квантового измерения;
5. И последний момент отличающий квантовую теорию от классической. Говоря об отличиях этих теорий друг от друга, нельзя не упомянуть формальную логику, заложенную в их основание.
Отличие квантовой логики от классической весьма существенно. Это вызвано тем, что существует явное неудобство в использовании векторов состояния, которыми оперирует теория, для описания физического состояния исследуемой системы. Это неудобство порождается тем, что в квантовой теории просто не существует взаимнооднозначного соответствия между векторами состояния, используемыми в теории, и физическим состоянием системы. Потому мы просто с необходимостью, пытаясь описать физическое состояние квантовой системы, вынуждены оперировать не с одним вектором состояния, а с целым классом векторов, кратных данному, что несколько усложняет построение геометрии пространства, с которым оперирует квантовая теория, переводя его в разряд проективного.
Если говорить проще, то отражением этого факта является утверждение о том, что мы просто не имеем возможности утверждать, что интересующая нас квантовая система находится в данный момент или в данной области пространства в определенном состоянии.
Для нас это конкретное состояние фактически остается неопределенным Потому привычная для нас бинарная логика, таблица истинности которой строится из двух элементов "ДА”, "НЕТ”, начинает входить в сильное противоречие с обсуждаемой теорией. Для квантовой теории непротиворечивой, и это можно показать строго, оказывается трехзначная логика, таблица истинности которой складывается уже из трех элементов – "ДА”, "НЕТ” и "НЕОПРЕДЕЛЕНО”. Но это отличие не является причиной для разделения двух миров – квантового и классического, поскольку при плавном переходе от одного описания к другому трехзначная логика столь же плавно переходит в бинарную.
Таким образом, мы просто с неизбежностью оказываемся перед двумя, достаточно существенными вопросами:
Так что же представляет собой квантовая теория как теория физическая?
Каким же образом она описывает физический мир?
В настоящее время существует множество ответов на эти вопросы, которые лежат уже больше в философской плоскости, называемой метафизикой, и составляют содержание того, что называется квантовыми интерпретациями, одна из которых, а именно, копенгагенская интерпретация, была нами упомянута выше.
На настоящий момент существует чуть менее двух десятков различных вариантов интерпретаций, суть которых весьма многообразна. Начиная от довольно экзотических предположений о движении частиц во времени в противоположном направлении, расслоении многомерных пространств нашего мира, в основе которых лежат струнные космологические модели, и заканчивая интерпретациями откровенно идеалистическими. Но не будем погружаться в эту пучину "-измов”, поскольку многих из них, за редким исключением, объединяет одна и та же довольно неприятная вещь – предположения, заложенные в их основу если и непротиворечивы, то недоступны для прямого доказательства их истинности. Это бесспорно в отношении идеалистических интерпретаций, ведь очень хорошо известно, что никакое утверждение, в основе которого лежит идеализм, не может быть ни опровергнуто ни доказано с помощью каких бы то ни было логических построений. В этом случае, решение главного для понимания вопроса перекладывается только на некие интуитивные суждения и другого тут просто не дано.
Другие интерпретации, такие, например, как копенгагенская и производные от нее, позволяют довольно точно рассчитывать квантовые системы для прямого их применения, не озадачиваясь при этом вопросами, к какой картине мира они приводят. Они просто удобны в практической плоскости. Недаром копенгагенскую интерпретацию многие физики считают ортодоксальной и шутливо характеризуют фразой – "это интерпретация вида замолчи и считай!”. Но и с ней, как мы видели, не все так просто. К сожалению, и она не позволяет провести экспериментальную проверку и однозначно сказать, что окружающий нас мир действительно разделен на два мира: квантовый и классический.
Так что мы оставим в покое весь этот "квантовый зоопарк”, в котором каждый волен выбирать понимание мира себе по вкусу, впрочем, без малейшей надежды убедиться в правильности своего выбора. Мы сосредоточимся только на одной квантовой интерпретации, которая не только рисует логически стройную, возможно довольно непривычную для нас картину мира, но при этом содержит в себе возможность хоть в будущем, но проверить ее экспериментально. Интерпретации, которая прямо указывает на области пересечения точных и естественных наук. Дальнейший разговор мы посвятим обсуждению квантовой многомировой интерпретации Эверетта.
В 1957 году вышла статья Хью Эверетта III, в которой была предложена принципиально новая на момент выхода статьи "многомировая” интерпретация квантовой механики, хотя сам Эверетт называл ее интерпретацией квантовой механики, основанной на понятии относительного состояния. Эта статья, в своё время, прошла почти незамеченной.
Но с развитием физики интерес к решению проблемы измерений совместно с противоречивостью проективного постулата в квантовой теории сильно возрос и к интерпретации, предложенной в этой статье. вернулись. Это связано, с одной стороны, с тем, что квантовая теория, нашедшая свои приложения в самых неожиданных областях науки и техники, стала превращаться в инженерную науку, и перестала быть "уделом избранных”.
Все больше специалистов стало обращаться к ней. Но были и иные причины возникновения интереса именно к основным проблемам квантовой теории. Потребовались расчеты не только сложных систем, таких как атомы, пучки электронов, фотонов и так далее, но и "элементарных” систем, таких как единичный электрон в одномерной кристаллической решетке, одноэлектронные транзисторы, единичный ион в магнитной ловушке и прочее. Для расчета таких систем хорошо привычная идеология Копенгагенской интерпретации стала просто неприменима.
Кроме того, появились качественно новые области приложения квантовой механики, требующие более глубокого понимания квантового мира. Приложения уже напрямую использующие именно отличия квантовой теории от классической. Примером такого приложения является квантовая информатика со всеми своими приложениями, с упоминания которой и начиналась эта статья.
Формулируя свою интерпретацию, Эверетт попытался выйти за пределы, фактически чуждого квантовой теории, проективного постулата фон Неймана. Несколько позднее это сделали Уиллер и ДеВитт. Согласно интерпретации Эверетта, а вернее, многомировой интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта, предполагается, что различные вероятностные состояния квантовой системы соответствуют различным классическим вероятностям, или классическим мирам.
Полагается, что эти классические миры равноправны, то есть, ни один из них не более реален, чем остальные. Так возникла картина многих классических миров Эверетта – Уиллера – ДеВитта. Более подробное описание этой интерпретации, например, можно найти в статье [1].
Но при этом возникает довольно любопытный вопрос – а как быть с тем, что при проведении эксперимента\измерений сознание наблюдателя фиксирует только один из возможных результатов таких измерений? Ведь и в этом случае происходит с неизбежностью все тот же выбор одного из возможных состояний квантовой системы (редукция состояний) и нет ли тут явного противоречия с многомировой интерпретацией. На самом деле, такого противоречия просто не возникает и это можно показать. Дело в том, что сознание наблюдателя как бы разделяется между "возникающими” классическими мирами и каждая "компонента” разделившегося сознания видит только то, что происходит в каждом из этих миров.
"Таким образом, сознание наблюдателя расслаивается, разделяется в соответствии с тем, как квантовый мир расслаивается на множество альтернативных классических миров”[3]
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
01.08.2014, 09:51
В интерпретации Эверетта – Уилера - ДеВитта количество таких альтернативных миров определяется исключительно тем набором собственных состояний, к которых может находиться квантовая система. В принципе, их может быть и бесконечное количество, в отличие от картины, которую дает копенгагенская интерпретация Бора, в которой все эти альтернативы просто исчезают, происходит селекция альтернатив. И это исчезновение альтернатив является прямым следствием проективного постулата фон Неймана.
В интерпретации Эверетта такой селекции не происходит. Вместо этого происходит как бы "расслоение” квантового мира на альтернативные реальности и сознание наблюдателя способно воспринимать возникающие альтернативы независимо друг от друга. Или, другими словами, сознание "расслаивается” на свои компоненты, каждая из которых воспринимает свой собственный классический мир. Но субъективно наблюдатель в целом воспринимает так, как будто существует только один классический мир.
Согласно Эверетту в каждом из альтернативных классических миров существуют "двойники” одного и того же наблюдателя, воспринимающие каждый свою альтернативу. Эта интерпретация довольно сложна для понимания, поскольку в ней все альтернативы реализуются, а сознание наблюдателя разделяется между всеми альтернативами, но в то же время, индивидуальное сознание воспринимает эту картину так, как будто существует только одна альтернатива, только один классический мир, в котором оно и живет.
Подытоживая сказанное, можно утверждать, что сознание в целом разделяется между существующими альтернативами, но при этом индивидуальное сознание субъективно осуществляет селекцию альтернатив, выбирая из всего набора только одну.
Такова вкратце интерпретация Эверетта – Уилера – ДеВитта. На первый взгляд она кажется довольно фантастической, но это не совсем так. Во-первых, стоит напомнить, что такая картина мира вполне логична, поскольку связана с отказом от противоречивого по-сути проективного постулата фон Неймана. Постулата, нарушающего одну из основ квантовой теории – ее линейность, отказ от которого напрямую следует из самой сути квантовой теории. Во-вторых, картина становится еще более фантастической, когда интерпретацию Эверетта – Уилера – ДеВитта воспринимают буквально и начинают утверждать, что эвереттовские миры реально существуют.
Однако при этом надлежит помнить, что никаких многих миров в действительности нет. Реально существует только один мир и этот мир квантовый по своей природе. Мир, который может находиться во многих вероятностных состояниях, каждое их которых соответствует своему классическому миру. Миру, который и воспринимает сознание.
Иными словами, каждый из эвереттовских миров есть ни что иное, как "классическая проекция” единого квантового мира. И эти проекции создаются ни чем иным, как сознанием наблюдателя, в то время, как квантовый мир един и существует независимо от сознания наблюдателя.
Если это помнить, то многие фантазии и недоразумения, которые могут возникнуть, просто исчезают. Однако и интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта присущ все тот же существенный недостаток. Эту интерпретацию, равно как и подавляющее большинство других, невозможно проверить экспериментально. Сама квантовая теория, да и обсуждаемая интерпретация не содержат, на первый взгляд, инструментов, позволяющих выполнить подобную проверку. Однако, все расчеты, которые могут быть проведены в рамках этой интерпретации, по сути, являются все теми же квантовомеханическими расчетами. Иными словами, интерпретация Эверетта – Уилера – ДеВитта не есть новая квантовая теория. Это всего лишь иное понимание обычной квантовой теории.
Прежде, чем мы пойдем дальше, обратим внимание на следующий момент, вытекающий из обсуждаемой интерпретации – если в соответствии с законами квантовой теории разделения альтернатив не происходит, а наблюдатель всегда видит только одну из них, значит, разделение альтернатив и выбор одной из них происходит в сознании наблюдателя.
Эта мысль не нова, поскольку об этом говорил и сам Эверетт. Однако можно пойти в этом направлении дальше и предположить, что мы имеем дело не с двумя связанными явлениями (сознанием и разделением квантовых альтернатив), а с одним объектом и отождествим понятие сознания с понятием разделения альтернатив. Рассмотрим эту мысль подробнее.
В интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта само понятие сознания имеет два аспекта. Во-первых, сознание в целом разделяется между альтернативами, а его "компонента” живет в одной классической альтернативе. Заметим, что в психологии под сознанием понимают именно эту ”компоненту”, живущую в своем классическом мире (сознание, как его определяет психология, это то, что воспринимается субъективно). Таким образом, у нас довольно последовательно возникает гипотеза отождествления, сформулированная известным российским физиком – теоретиком, доктором физико-математических наук, Михаилом Борисовичем Менским:
«Способность человека (и любого живого существа), называемая сознанием, - это то же самое явление, которое в квантовой теории называется редукцией состояния или селекцией альтернатив, а в концепции Эверетта фигурирует как разделение единого квантового мира на классические альтернативы» [3]
Эта гипотеза, являющаяся сутью расширенной интерпретации Эверетта, позволила намного расширить понимание окружающего мира. Поскольку мы полагаем теперь, что сознание и разделение альтернатив есть суть одно и тоже явление, у нас возникает, по крайней мере, один общий элемент – сознание, связывающий между собой такие, казалось бы, отстоящие далеко друг от друга области познания, как квантовая физика и психология.
Однако этот момент требует некоторого пояснения. Эту самую общую часть квантовой физики и психологии следует отождествлять лишь с самым глубинным, самым "примитивным” уровнем сознания. Этот уровень лежит на самой границе сознания и непосредственно связан с процессомосознавания - процесса перехода от состояния "неосознано” к состоянию осознания окружающего мира. Следует так же уточнить, что в данном случае речь не идет о сознании в целом, а лишь о том, неуловимом, отличающим состояния "неосознано” и "осознано”. Становится понятным и еще один момент – почему эти два явления сознание и разделение классических альтернатив, лежащие в традиционно разных сферах познания, плохо поддаются пониманию в рамках традиционного понимания. Просто важнейшие аспекты этих явлений лежат в иных областях, отделяя которые друг от друга, мы упускаем самое важное.
В рамках расширенной интерпретации Эверетта стало возможным понимание того, что же есть на самом деле жизнь, в самом общем ее понимании. Для того. Что бы это увидеть попробуем понять, что же есть на самом деле выбор среди возможного набора возможных классических альтернатив. При этом надо иметь в виду, что этот выбор осуществляют и используют живые организмы. Важнейшим моментом является то, что каждая альтернатива есть ни что иное, как вероятное поведение "микроскопической” системы и ее "макроскопического” окружения. Иными словами, это именно та картина окружающего мира, которая возникает в сознании живого организма. В этой картине мир становится классическим, ведущим себя в соответствии с хорошо привычными классическими законами, то есть. этот мир становится предсказуемым, пусть даже в отдельной области, окружающей организм, и живой организм становится в состоянии выработать оптимальную стратегию для выживания в этом мире. Причем важнейшим фактором является именно классичность картины, формируемой сознанием, ее предсказуемость, поскольку в квантовом случае мир бы стал вероятностным, непредсказуемым. Миром, в котором не всегда выполняется принцип причинности. В этом случае выработка оптимальной стратегии выживания живого организма была бы невозможна в принципе, а, следовательно, стала бы невозможной предсказуемость эволюции живых организмов. Таким образом, классичность эвереттовских миров является просто необходимым условием для существования живых организмов.
Другими словами, живое существо в отличие от неживого обладает уникальной способностью особым образом воспринимать квантовый мир, проецируя его своим сознанием на мир классический. Мир, в котором с неизменностью осуществляется принцип причинности, в котором хорошо срабатывают приобретенные навыки. Мир, являющийся, по крайней мере, локально предсказуемым.
Эти рассуждения делают правдоподобным предположение о том, что явление разделения альтернатив, которое отождествляется с сознанием, не является законом природы, как это обычно предполагается в явной или неявной форме. Сознание является способностью, которую живые существа выработали в процессе эволюции, а точнее – в процессе зарождения жизни. Отсюда следует еще один, казалось бы, парадоксальный вывод о том, что классические законы природы, сформулированные с той или иной степенью точности высшими уровнями сознания, и успешно используемые нами в описании окружающего неживого мира просто не применимы для описания явлений, связанных с сознанием, с живыми организмами, особенно, для описания социума, поскольку в той или иной форме социум есть ни что иное, как продукт высших функций сознания.
Но самым интересным в обсуждаемой нами расширенной интерпретации Эверетта является заложенная в ней возможность, пусть и пока гипотетическая, экспериментальной проверки. Надежда ее проведения напрямую связана с разрабатываемыми в настоящий момент квантовыми компьютерами. Это так, поскольку в квантовых компьютерах эволюционируют квантовые состояния - кубиты, то есть, суперпозиции, содержащие огромное число компонент. Каждая компонента несет в себе некоторую информацию и эволюция всей квантовой системы такого компьютера развивается по законам квантового мира, а, следовательно, и обеспечивает одновременное преобразование всех вариантов классической информации. Следовательно, можно надеяться, что квантовый компьютер позволит моделировать такое явление, как сознание. Сознание, как оно определено в рамках расширенной интерпретации Эверетта. Задача состоит в том, что бы каким-либо образом сформулировать критерий выживания и подобрать закон эволюции так, что бы эволюция всех альтернатив была предсказуемой, и выживание в этих альтернативах было возможным. Задача эта крайне сложна, но принципиального запрета на ее реализацию пока не видно.
На этом мы завершим нашу небольшую экскурсию в квантовую метафизику, оставив за бортом еще много интересного и удивительного.
Автор выражает искреннюю благодарность редактору Damkinу за длительные и плодотворные дискуссии и профессору, доктору технических наук, Семенову Александру Николаевичу за неоценимую техническую помощь, без которой появление этой статьи было бы весьма затруднительно.
Литература
1. А.Садбери Квантовая механика и физика элементарных частиц.- М.Мир, 1989 г.
2. М.Б.Менский Концепция сознания в квантовой механике.- УФН, т.175, №4, 2005 г., с. 423 – 435. Алексей Гопман
Источник: http://universe-tss.su/main/nauka/
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
15.08.2014, 22:27
Почему прошлое — это вероятность?
По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они произошли всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, всё будет парить в неопределённости.
Хокинг: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
28.08.2014, 17:49
Ученые получили изображения кота Шредингера
http://icdn.lenta.ru/images/2014/08/28/06/20140828063459511/pic_61e1c66253fb751c74810d19f5a8b6ac.jpg (http://icdn.lenta.ru/images/2014/08/28/06/20140828063459511/pic_61e1c66253fb751c74810d19f5a8b6ac.jpg)
Кот Шредингера как результат деструктивной и конструктивной квантовой интерференции
Фото: Gabriela Barreto Lemos
Физики из Вены и Нью-Йорка впервые продемонстрировали снимки камеры, когда последняя не видела оригинал изображения. Визуализация, сделанная аппаратом при помощи трафарета и лазеров, имеет форму кошек и символически напоминает о квантовом эффекте кота Шредингера (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%82_%D0%A8%D1%80%D1%91%D0%B4%D0%B8% D0%BD%D0%B3%D0%B5%D1%80%D0%B0). Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Nature, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте National Geographic.
В своей работе ученым удалось использовать свойство квантовой запутанности (нелокальности), чтобы в очередной раз продемонстрировать мысленный эксперимент Шредингера. Сущность квантового явления заключается в том, что невозможно определить, жив или мертв кот (в классическом смысле), не открыв ящик, в котором он заперт.
Согласно квантовой механике (зависимой от интерпретаций), открытие ящика (проведение процедуры измерения) меняет состояние кота и наблюдатель видит животное уже не в том состоянии, в каком он был ранее. С квантовой точки зрения, кот находился в состоянии, определяемом наложением (суперпозицией) состояний, описывающих живого и мертвого кота.
В эксперименте ученые запутали фотоны от изображения предмета в форме кота с другими квантами света. Последние, в силу квантовой нелокальности, тем не менее показали первоначальное изображение кота от первой группы частиц. Особенностью подхода специалистов было использование пары лазерных пучков света с двумя разными длинами волн (например, красного и желтого или синего и желтого).
Для создания оригинального изображения кота ученые использовали трафарет с формами этого животного. Как отмечают физики, они «не открыли новой науки, но аккуратно продемонстрировали старую».
Явление, показанное учеными, не имеет классических аналогов. В квантовом мире ситуация другая: запутанность предполагает, что подсистемы ранее единой системы после разнесения их на расстояния друг от друга продолжают испытывать взаимное влияние. Обсуждение вопроса о том, как соотносятся принцип локальности и запутанность, принимает различные формы и зависит от интерпретации квантовой механики.
Ученые подали заявку на патент установки, созданной в ходе их эксперимента. Физики предположили, что способ визуализации запутанных фотонов с помощью двухцветных волн может найти применение в медицине для создания четких изображений поврежденных тканей, не подвергая последние воздействию вредной радиации, или производстве кремниевых чипов.
Источник (http://solium.ru/forum/lenta.ru/news/2014/08/28/cat/)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
04.10.2014, 10:21
Янус-частица
03 октября 2014, 17:53Александр Телишев (http://rusplt.ru/authors/authors_464.html)
62 (http://rusplt.ru/world/yanuschastitsa-13327.html?utm_campaign=transit&utm_source=mirtesen&utm_medium=pad#) 31 (http://rusplt.ru/world/yanuschastitsa-13327.html?utm_campaign=transit&utm_source=mirtesen&utm_medium=pad#) 5 (http://rusplt.ru/world/yanuschastitsa-13327.html?utm_campaign=transit&utm_source=mirtesen&utm_medium=pad#) 1 (http://rusplt.ru/world/yanuschastitsa-13327.html?utm_campaign=transit&utm_source=mirtesen&utm_medium=pad#)
http://rusplt.ru/netcat_files/79/127/640x420/chastica_640.jpg Фермионы Майораны под микроскопом. 3D-представление: Yazdani Lab, Princeton University
Физики увидели частицу, которая одновременно ведет себя, как материя и антиматерия
Американские ученые из Принстонского университета объявили в четверг об успешном завершении эксперимента, в рамках которого они впервые смогли напрямую проследить за поведением и физическими свойствами «виртуальной» элементарной частицы, одновременно обладающей характеристиками материи и антиматерии. Эта частица, так называемый «фермион Майораны», может стать основой для квантовых компьютеров, способных сохранять стабильность на протяжении практически неограниченного времени. О результатах исследования рассказывает (http://www.princeton.edu/main/) пресс-служба университета.
«Что самое интересное, создать такие частицы достаточно просто — для этого вам потребуются всего лишь железо и свинец. Оказалось, что если у вас есть материал, обладающий сильными магнитными свойствами, который может быть как железом, так и другими магнитами, в толще которых электроны подвергаются действию сильного поля, шансы на возникновение фермионов Майораны вырастают на порядки. Для появления фермионов Майораны нужно просто добавить релятивистские эффекты, чего можно легко достичь, добавив на поверхность железа атомы тяжелых элементов, таких как свинец. Мы ожидаем, что эти неуловимые частицы могут существовать и в других типах материалов», — объясняет Андрей Берневиг из Принстонского университета, один из авторов статьи.
Берневиг и его коллеги, в том числе выходец из России Илья Дроздов, на протяжении двух последних лет работали над созданием инструментов, которые позволили бы им напрямую наблюдать за физическими процессами, происходящими на стыке между сверхпроводником и обычным металлом. Как сегодня считают многие физики, в этой точке могут зарождаться особые квазичастицы, неотличимые по своим свойствам от неуловимых фермионов Майораны.
Еще в 1937 году, на заре развития квантовой физики, итальянский физик Этторе Майорана выяснил, что в нашей Вселенной теоретически могут существовать особые элементарные частицы, которые одновременно обладают свойствами материи и антиматерии. Благодаря своей особой природе они будут вести себя крайне необычно с точки зрения физики — к примеру, у них будет отсутствовать электрический или иной заряд, они будут крайне плохо взаимодействовать с другими формами материи и обладать либо крайне большой, либо очень малой массой.
Фермионы Майораны, как их сегодня называют ученые, интересуют их по двум причинам, одна из которых является чисто практической, а вторая — имеет огромное значение для космологии и теоретической физики. Теоретиков и астрофизиков привлекает то, что эти частицы по своим предполагаемым свойствам очень похожи на то, как себя ведет темная материя, на чью долю приходится примерно четверть от общей массы и энергии Вселенной. Открытие и изучение свойств фермионов Майораны может помочь космологам найти причины многих известных парадоксов — преобладания материи над антиматерией в нашей Вселенной, господства темной энергии и материи над видимой материей, а также других тайн мироздания.
Практиков интересует нейтральность этих частиц, а также их «нежелание» взаимодействовать с окружающим миром. Оба этих свойства делают подобные фермионы идеальным строительным материалом для кубитов — ячеек памяти и вычислительных звеньев квантовых компьютеров. Сегодня ученые создают их путем «спутывания» фотонов, электронов и прочих жителей микромира. Подобные союзы частиц, из-за их взаимодействия с внешним миром, живут крайне недолго, и их замена фермионами Майораны позволит радикальным образом решить эту проблему.
Несмотря на огромный интерес к этим частицам, за весь остаток минувшего столетия так и не удалось найти фермионы Майораны или их виртуальные подобия, так называемые квазичастицы. Первый прорыв в поисках «януса» произошел только в 2001 году, когда российско-американский физик Алексей Китаев понял, что виртуальные фермионы Майораны могут возникать на противоположных концах провода, изготовленного из сверхпроводящих материалов. Первое подтверждение теоретических выкладок Китаева было получено только в 2012 году, когда европейские ученые представили в журнале Science (http://www.sciencemag.org/content/336/6084/1003.short) результаты опытов по «выращиванию» двуликих частиц в полосках сплава индия и сурьмы.
Не все ученые поверили в это открытие, так как его авторы наблюдали за появлением фермионов Майораны не напрямую, а следили за тем, как их появление влияло на характер движения электронов в окружающей среде. Берневиг, Дроздов и их коллеги решили восполнить пробелы в методологии их европейских коллег и попытались напрямую проследить за рождением «частиц-янусов», используя специально созданный для этой цели микроскоп, на постройку которого фонд исследований Военно-морского министерства США выделил около трех миллионов долларов.
Этот прибор относится к категории так называемых сканирующих туннельных микроскопов. Они считывают «рельеф» молекул при помощи импульсов электрического тока, которые подаются через сверхтонкую металлическую иглу и просачиваются в образец благодаря эффекту квантового тунеллирования. Это позволяет получать изображения практически любой поверхности с почти атомным разрешением.
Подобная точность была необходима ученым по одной простой причине — фрагмент проводника, в котором должны рождаться фермионы Майораны, представляет собой нанопровод из железа толщиной в один атом и глубиной в три атома. Эта микроскопическая цепочка была прикреплена к поверхности пластины из чистейшего свинца, на изготовление и очистку которой у ученых ушло несколько месяцев.
Когда физики охладили свинцовый лист до температуры в минус 272 градусов Цельсия, всего на один градус выше абсолютного нуля, внутри железной цепочки возникли своеобразные «белые пятна», хорошо заметные для микроскопа. Это свидетельствовало в пользу того, что в этих точках существуют электрически нейтральные квазичастицы, которыми в данном случае могут быть только неуловимые «частицы-янусы».
«Наблюдения показали, что этот сигнал присутствует только на концах провода. Это ключевое свойство (фермионов Майораны), и если вы его не видите, то подобный сигнал может возникать по целому ряду совершенно других причин. То, что мы сделали, можно без сомнения называть самым "прямым" способом для поиска фермионов Майораны, возникающих на стыках между некоторыми материалами. И если вы хотите найти их у себя в лаборатории, то вам придется использовать такой микроскоп, который позволяет увидеть фермионы там, где они на самом деле есть», — добавляет Али Яздани из Принстонского университета, руководитель лаборатории.
По словам Яздани, публикация работы его научной группы является прямым подтверждением того, что европейским физикам действительно удалось обнаружить виртуальные фермионы Майораны в 2012 году. Как считает американский физик, настоящие фермионы Майораны сегодня вряд ли можно будет создать сегодня при помощи уже существующих ускорителей частиц — для этого потребуются энергии, на два-три порядка превышающие мощность Большого адронного коллайдера. Тем не менее даже виртуальных фермионов Майораны достаточно для того, чтобы использовать их в качестве основы для квантовых компьютеров будущего, заключает ученый.
Подробнее http://rusplt.ru/world/yanuschastitsa-13327.html?utm_campaign=transit&utm_source=mirtesen&utm_medium=pad
http://www.youtube.com/watch?v=Obb5G4Wjo1g
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
13.10.2014, 22:40
Проблемы квантовой теории или небольшая экскурсия в квантовую метафизику
http://mtdata.ru/u12/photoFC35/20120083308-0/original.jpg#20120083308
В последнее время, особенно в связи с появлением качественно новых приложений квантовой теории, таких, например, как квантовая информатика, включающая в себя квантовую криптографию, квантовую телепортацию и, самое главное, активно развивающиеся работы направленные на создание квантового компьютера, напрямую использующие все особенности квантового мира, на первый план выходят вопросы наиболее глубокого понимания этих особенностей и, самое главное, более глубокого и однозначного понимания результатов, к которым приводят эти особенности. В этой статье мы попробуем увидеть то, что принципиально отличает непривычный нам квантовый мир от хорошо известного и уютного и так привычного нам классического и посмотрим только на один из возможных вариантов решения имеющихся проблем. И начнем мы с краткого обзора того, что отличает квантовую физику от классической, но при этом ей нисколько не противоречит.
Наиболее глубокое отличие между классической и квантовой теориями лежит в особой роли эксперимента, или иными словами, в особой роли измерения параметров исследуемой квантовой системы. Речь идет о проблеме измерения в квантовой теории. Если говорить совсем просто, эта проблема связана с тем, что, пытаясь провести измерения параметров микроскопической системы, экспериментатор с необходимостью воздействует на микроскопическую систему макроскопическим прибором, тем самым с неизбежностью сильно изменяя состояние квантовой системы. Формально это выражается в том, что пока измерение не было проведено квантовая система, описываемая основным уравнением квантовой механики уравнением Шредингера, находится в суперпозиции (сумме) собственных состояний, которые могут быть реализованы с той или иной вероятностью. Такое описание полностью детерминировано, поскольку, зная начальное состояние системы, мы можем однозначно описать ее эволюцию в вероятностном ключе. Иными словами, мы не можем указать, в каком именно состоянии находится наша система, но как изменятся вероятные состояния этой системы, указать можем. Однако экспериментатор, проводя измерения (воздействуя на систему макроскопическим прибором) обнаруживает ее в каком-то определенном состоянии, ставшем в процессе измерения, из вероятного реально существующим. Такая ситуация с необходимостью привела к появлениюпроективного постулата фон Неймана, который носит чисто вероятностный характер и описывает практически непредсказуемые изменения в системе, возникающие в результате проведенного экспериментатором измерения, нарушая тем самым детерминированность описания. Даже зная в каком состоянии находилась система в начальный момент времени, невозможно предсказать точно результат измерения. Понятно, что такая ситуация не вполне корректна, если мы говорим о фундаментальной физической теории. Ведь точно так же, как и квантовая система, являющейся физической системой, так и прибор, который использовал экспериментатор, тоже является физической системой, а сам эксперимент является физическим процессом. Потому и исследуемая система и эксперимент, да и используемый в эксперименте прибор должны описываться единообразно. Вот тут и возникает вопрос о том, как примирить проективный постулат фон Неймана с возникающим противоречием?
Нильс Бор, сформулировав свою копенгагенскую интерпретацию, ответил на этот вопрос так. Поскольку прибор является макроскопически большим, то к нему просто неприменимы законы квантовой теории, а он обязан быть таковым, поскольку его свойства должны непосредственно восприниматься экспериментатором, так, как это имеет место в классической физике. Он и должен описываться исключительно законами классической физики. А уравнение Шредингера и проективный постулат фон Неймана применимы только к квантовым системам, причем последний вступает в силу, только если квантовая система вступает во взаимодействие с классическим прибором.
Эта точка зрения оказалась весьма удобной для применения и большинство физиков, особенно занимающихся расчетом реальных квантовых систем, другие точки зрения на этот вопрос просто не интересовали. Однако, из копенгагенской интерпретации с неизбежностью следует вывод о том, что наш физический мир разделен на два, абсолютно разных типа объектов – на квантовые и классические объекты, каждый из которых подчиняются своим собственным законам, что является не вполне понятным и приемлемым. И, как результат, стали возникать квантовые парадоксы, к формулировке которых приложили руку выдающиеся физики: Шредингер, Вигнер, Эйнштейн, Бор, Паули. Уиллер, Де Витт и многие другие. Это, например, известный большинству читателей парадокс кота Шредингера, парадокс друга Вигнера, парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена.
Есть и еще один момент, который стоит упомянуть. Он связан с тем, что тем или иным образом любое измерение с необходимостью связано с осознания его экспериментатором и поэтому результат эксперимента просто не отделим от осознания его человеком, проводящим его. Отделить сам эксперимент от осознания его результатов просто не удается, даже если об этом не вспоминать.
Но мы не будем углубляться в тонкости копенгагенской интерпретации квантовой теории и ее критики (желающих совершить этот подвиг могу отослать к замечательной книге Садбери [1], ссылку на которую интересующиеся могут найти в конце статьи), а продолжим знакомство с отличиями квантовой теории от классической.
Остальные отличия являются не столь принципиальными, как проблема измерения, но сами по себе достаточно интересны и стоят хотя бы короткого упоминания:
1.Квантовая теория принципиально отличается от теорий, возникших до нее, не только тем, что ее предсказания носят вероятностный характер, но и тем, что вероятность лежащая в ее основе носит принципиально фундаментальный характер. Если использование понятия вероятности в других теориях обусловлено неполнотой информации об исследуемой системе и полагается, что понятие вероятности можно из этих теорий исключить, получив более полные сведения о предмете исследования, то в квантовых теориях получение полной информации о системе невозможно в силу фундаментальных принципов, таких как принцип неопределенности, имеющих свое отображение в соотношении неопределенностей Гейзенберга или, в наиболее общем виде, в соотношении неопределенностей Шредингера.
Эту особенность квантовой теории не столько сложно понять, сколько сложно принять. Дело в том, что в классической физике существует основное допущение, гласящее, что всякому событию должна предшествовать его причина. Однако если квантовые законы имеют принципиально вероятностный характер, то отдельные моменты квантовых явлений могут и не иметь предвосхищавших их причин. Именно с этим моментом и связано знаменитое выражение Эйнштейна: «Я не могу поверить, что Бог играет в кости».
Из этой ситуации, если посмотреть на нее несколько иначе, можно сделать вывод о том, что утверждение «каждое событие имеет свою причину» мы должны рассматривать не как непреложную истину, неподлежащую сомнениям, а как утверждение о наших намерениях искать причину любого события. Самим своим существованием квантовая теория доказывает это положение;
2. Наиболее загадочным в квантовой теории является способ, которым определенные свойства приписываются частицам в квантовой системе. В отличие от классической физики, это отличие имеет два момента. Во-первых, в квантовой теории отрицается наличие определенных значений тех характеристик, которыми оперирует классическая физика. Делается утверждение, что квантовая частица может, например, не иметь определенного положения в пространстве и определенного значения импульса (одно из соотношений неопределенностей Гейзенберга).
Особенно удивительно то, что если частица в определенный момент времени и имеет определенное положение в пространстве (частица локализована), то ее импульс не может быть определен в принципе. Но более того, невозможно точно сказать, где она будет локализована в последующие промежутки времени. Или, другими словами, привычное в классической механике понятие траектории частицы в квантовой теории просто неприменимо, поскольку это понятие с необходимостью требует одновременного с локализацией частицы точного определения ее импульса. А на эту процедуру в квантовой механике наложен принципиальный запрет. Согласитесь, что представить себе такую частицу в рамках наших привычных воззрений достаточно сложно.
Во-вторых, и это более существенно, в квантовой теории вообще не определен статус такого понятия, как свойства системы, когда она не находится в собственном состоянии, т.е., когда осуществляется на систему внешнее воздействие. Непонятно вообще обладает ли система в момент измерения таким свойством, находится ли в одном из собственных состояний. Дело в том, что в процессе измерения можно получить конкретное значение для любой наблюдаемой (наблюдаемой в физике называют любой параметр системы поддающийся измерению). Наблюдаемую можно измерить, придать ей любое значение, так что, нельзя утверждать, что полученные результаты бессмысленны.
Однако с другой стороны любое измеренное значение может быть фальсифицировано самим процессом измерения, который есть ни что иное, как эксперимент над квантовой системой, переводящий систему из собственного состояния в некое, достаточно неопределенное, новое состояние, при этом не являющиеся собственным;
3. Положим, что квантовая система состоит, например, из двух частей. Тогда ее состояние можно описать суперпозицией (суммой) двух векторов состояния, построенных по соответствующему закону. Заметим, что подобная ситуация и обсуждалась в знаменитой статье Эйнштейна, Подольского, Розена в которой и был сформулирован знаменитый парадокс, носящий имя авторов этой статьи. Когда система находится в подобном состоянии, оказывается невозможным утверждение, что какая-либо из подсистем находится в определенном состоянии, но возможно получить информацию об одной из подсистем, произведя эксперимент над другой подсистемой.
Таким образом, квантовая теория просто отрицает возможность описания окружающего нас мира путем деления на его на части с последующим описанием этих частей. Этот момент является довольно неординарным по своей сути.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
13.10.2014, 22:40
4. Ненадолго вернемся к проективному постулату, который обсуждался немного выше. И просто сформулируем некоторые итоги этого обсуждения. Мы видели, что проективный постулат фон Неймана фактически является довольно плохо определенной процедурой. В нем нет точного определения, что есть на самом деле процесс измерения параметров квантовой системы. Нет никакого указания ни на момент времени, ни на механизм перехода системы из достаточно произвольного вероятностного состояния в обнаруженное в результате эксперимента конкретное состояние.
И, во-вторых, сам по себе проективный постулат фон Неймана является дуалистичным, поскольку он требует принципиального разделения нашего мира на квантовый микроскопический мир и на макроскопический классический мир. Он так же разделяет закон временной эволюции на закон, определяемый детерминированным (строго упорядоченным во времени) основным уравнением квантовой механики – уравнением Шредингера и на строго вероятностный закон, не вполне определенный проективным постулатом фон Неймана, что хорошо иллюстрируется известным парадоксом с котом Шредингера.
Другими словами, он делает физические события следствиями наблюдений вместо того, что бы полагать, что события наблюдаются только потому, что они действительно произошли в окружающем нас мире.
Проективный постулат фон Неймана сформулирован в строго локальной форме, когда неявно полагается, что измерения происходят мгновенно, и, следовательно, является чистой абстракцией, не учитывающий тот момент, что реальные измерения никогда не являются мгновенными. Это всегда протяженный во времени процесс. Из этого с необходимостью возникает вывод, что проективный постулат фон Неймана в некотором смысле чужероден самой сути квантовой теории и введен в нее по необходимости, что бы хоть как-то пояснить саму процедуру квантового измерения;
5. И последний момент отличающий квантовую теорию от классической. Говоря об отличиях этих теорий друг от друга, нельзя не упомянуть формальную логику, заложенную в их основание.
Отличие квантовой логики от классической весьма существенно. Это вызвано тем, что существует явное неудобство в использовании векторов состояния, которыми оперирует теория, для описания физического состояния исследуемой системы. Это неудобство порождается тем, что в квантовой теории просто не существует взаимнооднозначного соответствия между векторами состояния, используемыми в теории, и физическим состоянием системы. Потому мы просто с необходимостью, пытаясь описать физическое состояние квантовой системы, вынуждены оперировать не с одним вектором состояния, а с целым классом векторов, кратных данному, что несколько усложняет построение геометрии пространства, с которым оперирует квантовая теория, переводя его в разряд проективного.
Если говорить проще, то отражением этого факта является утверждение о том, что мы просто не имеем возможности утверждать, что интересующая нас квантовая система находится в данный момент или в данной области пространства в определенном состоянии.
Для нас это конкретное состояние фактически остается неопределенным Потому привычная для нас бинарная логика, таблица истинности которой строится из двух элементов "ДА”, "НЕТ”, начинает входить в сильное противоречие с обсуждаемой теорией. Для квантовой теории непротиворечивой, и это можно показать строго, оказывается трехзначная логика, таблица истинности которой складывается уже из трех элементов – "ДА”, "НЕТ” и "НЕОПРЕДЕЛЕНО”. Но это отличие не является причиной для разделения двух миров – квантового и классического, поскольку при плавном переходе от одного описания к другому трехзначная логика столь же плавно переходит в бинарную.
Таким образом, мы просто с неизбежностью оказываемся перед двумя, достаточно существенными вопросами:
Так что же представляет собой квантовая теория как теория физическая?
Каким же образом она описывает физический мир?
В настоящее время существует множество ответов на эти вопросы, которые лежат уже больше в философской плоскости, называемой метафизикой, и составляют содержание того, что называется квантовыми интерпретациями, одна из которых, а именно, копенгагенская интерпретация, была нами упомянута выше.
На настоящий момент существует чуть менее двух десятков различных вариантов интерпретаций, суть которых весьма многообразна. Начиная от довольно экзотических предположений о движении частиц во времени в противоположном направлении, расслоении многомерных пространств нашего мира, в основе которых лежат струнные космологические модели, и заканчивая интерпретациями откровенно идеалистическими. Но не будем погружаться в эту пучину "-измов”, поскольку многих из них, за редким исключением, объединяет одна и та же довольно неприятная вещь – предположения, заложенные в их основу если и непротиворечивы, то недоступны для прямого доказательства их истинности. Это бесспорно в отношении идеалистических интерпретаций, ведь очень хорошо известно, что никакое утверждение, в основе которого лежит идеализм, не может быть ни опровергнуто ни доказано с помощью каких бы то ни было логических построений. В этом случае, решение главного для понимания вопроса перекладывается только на некие интуитивные суждения и другого тут просто не дано.
Другие интерпретации, такие, например, как копенгагенская и производные от нее, позволяют довольно точно рассчитывать квантовые системы для прямого их применения, не озадачиваясь при этом вопросами, к какой картине мира они приводят. Они просто удобны в практической плоскости. Недаром копенгагенскую интерпретацию многие физики считают ортодоксальной и шутливо характеризуют фразой – "это интерпретация вида замолчи и считай!”. Но и с ней, как мы видели, не все так просто. К сожалению, и она не позволяет провести экспериментальную проверку и однозначно сказать, что окружающий нас мир действительно разделен на два мира: квантовый и классический.
Так что мы оставим в покое весь этот "квантовый зоопарк”, в котором каждый волен выбирать понимание мира себе по вкусу, впрочем, без малейшей надежды убедиться в правильности своего выбора. Мы сосредоточимся только на одной квантовой интерпретации, которая не только рисует логически стройную, возможно довольно непривычную для нас картину мира, но при этом содержит в себе возможность хоть в будущем, но проверить ее экспериментально. Интерпретации, которая прямо указывает на области пересечения точных и естественных наук. Дальнейший разговор мы посвятим обсуждению квантовой многомировой интерпретации Эверетта.
В 1957 году вышла статья Хью Эверетта III, в которой была предложена принципиально новая на момент выхода статьи "многомировая” интерпретация квантовой механики, хотя сам Эверетт называл ее интерпретацией квантовой механики, основанной на понятии относительного состояния. Эта статья, в своё время, прошла почти незамеченной.
Но с развитием физики интерес к решению проблемы измерений совместно с противоречивостью проективного постулата в квантовой теории сильно возрос и к интерпретации, предложенной в этой статье. вернулись. Это связано, с одной стороны, с тем, что квантовая теория, нашедшая свои приложения в самых неожиданных областях науки и техники, стала превращаться в инженерную науку, и перестала быть "уделом избранных”.
Все больше специалистов стало обращаться к ней. Но были и иные причины возникновения интереса именно к основным проблемам квантовой теории. Потребовались расчеты не только сложных систем, таких как атомы, пучки электронов, фотонов и так далее, но и "элементарных” систем, таких как единичный электрон в одномерной кристаллической решетке, одноэлектронные транзисторы, единичный ион в магнитной ловушке и прочее. Для расчета таких систем хорошо привычная идеология Копенгагенской интерпретации стала просто неприменима.
Кроме того, появились качественно новые области приложения квантовой механики, требующие более глубокого понимания квантового мира. Приложения уже напрямую использующие именно отличия квантовой теории от классической. Примером такого приложения является квантовая информатика со всеми своими приложениями, с упоминания которой и начиналась эта статья.
Формулируя свою интерпретацию, Эверетт попытался выйти за пределы, фактически чуждого квантовой теории, проективного постулата фон Неймана. Несколько позднее это сделали Уиллер и ДеВитт. Согласно интерпретации Эверетта, а вернее, многомировой интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта, предполагается, что различные вероятностные состояния квантовой системы соответствуют различным классическим вероятностям, или классическим мирам.
Полагается, что эти классические миры равноправны, то есть, ни один из них не более реален, чем остальные. Так возникла картина многих классических миров Эверетта – Уиллера – ДеВитта. Более подробное описание этой интерпретации, например, можно найти в статье [1].
Но при этом возникает довольно любопытный вопрос – а как быть с тем, что при проведении эксперимента\измерений сознание наблюдателя фиксирует только один из возможных результатов таких измерений? Ведь и в этом случае происходит с неизбежностью все тот же выбор одного из возможных состояний квантовой системы (редукция состояний) и нет ли тут явного противоречия с многомировой интерпретацией. На самом деле, такого противоречия просто не возникает и это можно показать. Дело в том, что сознание наблюдателя как бы разделяется между "возникающими” классическими мирами и каждая "компонента” разделившегося сознания видит только то, что происходит в каждом из этих миров.
"Таким образом, сознание наблюдателя расслаивается, разделяется в соответствии с тем, как квантовый мир расслаивается на множество альтернативных классических миров”[3]
В интерпретации Эверетта – Уилера - ДеВитта количество таких альтернативных миров определяется исключительно тем набором собственных состояний, к которых может находиться квантовая система. В принципе, их может быть и бесконечное количество, в отличие от картины, которую дает копенгагенская интерпретация Бора, в которой все эти альтернативы просто исчезают, происходит селекция альтернатив. И это исчезновение альтернатив является прямым следствием проективного постулата фон Неймана.
В интерпретации Эверетта такой селекции не происходит. Вместо этого происходит как бы "расслоение” квантового мира на альтернативные реальности и сознание наблюдателя способно воспринимать возникающие альтернативы независимо друг от друга. Или, другими словами, сознание "расслаивается” на свои компоненты, каждая из которых воспринимает свой собственный классический мир. Но субъективно наблюдатель в целом воспринимает так, как будто существует только один классический мир.
Согласно Эверетту в каждом из альтернативных классических миров существуют "двойники” одного и того же наблюдателя, воспринимающие каждый свою альтернативу. Эта интерпретация довольно сложна для понимания, поскольку в ней все альтернативы реализуются, а сознание наблюдателя разделяется между всеми альтернативами, но в то же время, индивидуальное сознание воспринимает эту картину так, как будто существует только одна альтернатива, только один классический мир, в котором оно и живет.
Подытоживая сказанное, можно утверждать, что сознание в целом разделяется между существующими альтернативами, но при этом индивидуальное сознание субъективно осуществляет селекцию альтернатив, выбирая из всего набора только одну.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
13.10.2014, 22:40
Такова вкратце интерпретация Эверетта – Уилера – ДеВитта. На первый взгляд она кажется довольно фантастической, но это не совсем так. Во-первых, стоит напомнить, что такая картина мира вполне логична, поскольку связана с отказом от противоречивого по-сути проективного постулата фон Неймана. Постулата, нарушающего одну из основ квантовой теории – ее линейность, отказ от которого напрямую следует из самой сути квантовой теории. Во-вторых, картина становится еще более фантастической, когда интерпретацию Эверетта – Уилера – ДеВитта воспринимают буквально и начинают утверждать, что эвереттовские миры реально существуют.
Однако при этом надлежит помнить, что никаких многих миров в действительности нет. Реально существует только один мир и этот мир квантовый по своей природе. Мир, который может находиться во многих вероятностных состояниях, каждое их которых соответствует своему классическому миру. Миру, который и воспринимает сознание.
Иными словами, каждый из эвереттовских миров есть ни что иное, как "классическая проекция” единого квантового мира. И эти проекции создаются ни чем иным, как сознанием наблюдателя, в то время, как квантовый мир един и существует независимо от сознания наблюдателя.
Если это помнить, то многие фантазии и недоразумения, которые могут возникнуть, просто исчезают. Однако и интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта присущ все тот же существенный недостаток. Эту интерпретацию, равно как и подавляющее большинство других, невозможно проверить экспериментально. Сама квантовая теория, да и обсуждаемая интерпретация не содержат, на первый взгляд, инструментов, позволяющих выполнить подобную проверку. Однако, все расчеты, которые могут быть проведены в рамках этой интерпретации, по сути, являются все теми же квантовомеханическими расчетами. Иными словами, интерпретация Эверетта – Уилера – ДеВитта не есть новая квантовая теория. Это всего лишь иное понимание обычной квантовой теории.
Прежде, чем мы пойдем дальше, обратим внимание на следующий момент, вытекающий из обсуждаемой интерпретации – если в соответствии с законами квантовой теории разделения альтернатив не происходит, а наблюдатель всегда видит только одну из них, значит, разделение альтернатив и выбор одной из них происходит в сознании наблюдателя.
Эта мысль не нова, поскольку об этом говорил и сам Эверетт. Однако можно пойти в этом направлении дальше и предположить, что мы имеем дело не с двумя связанными явлениями (сознанием и разделением квантовых альтернатив), а с одним объектом и отождествим понятие сознания с понятием разделения альтернатив. Рассмотрим эту мысль подробнее.
В интерпретации Эверетта – Уиллера – ДеВитта само понятие сознания имеет два аспекта. Во-первых, сознание в целом разделяется между альтернативами, а его "компонента” живет в одной классической альтернативе. Заметим, что в психологии под сознанием понимают именно эту ”компоненту”, живущую в своем классическом мире (сознание, как его определяет психология, это то, что воспринимается субъективно). Таким образом, у нас довольно последовательно возникает гипотеза отождествления, сформулированная известным российским физиком – теоретиком, доктором физико-математических наук, Михаилом Борисовичем Менским:
«Способность человека (и любого живого существа), называемая сознанием, - это то же самое явление, которое в квантовой теории называется редукцией состояния или селекцией альтернатив, а в концепции Эверетта фигурирует как разделение единого квантового мира на классические альтернативы» [3]
Эта гипотеза, являющаяся сутью расширенной интерпретации Эверетта, позволила намного расширить понимание окружающего мира. Поскольку мы полагаем теперь, что сознание и разделение альтернатив есть суть одно и тоже явление, у нас возникает, по крайней мере, один общий элемент – сознание, связывающий между собой такие, казалось бы, отстоящие далеко друг от друга области познания, как квантовая физика и психология.
Однако этот момент требует некоторого пояснения. Эту самую общую часть квантовой физики и психологии следует отождествлять лишь с самым глубинным, самым "примитивным” уровнем сознания. Этот уровень лежит на самой границе сознания и непосредственно связан с процессом осознавания - процесса перехода от состояния "неосознано” к состоянию осознания окружающего мира. Следует так же уточнить, что в данном случае речь не идет о сознании в целом, а лишь о том, неуловимом, отличающим состояния "неосознано” и "осознано”. Становится понятным и еще один момент – почему эти два явления сознание и разделение классических альтернатив, лежащие в традиционно разных сферах познания, плохо поддаются пониманию в рамках традиционного понимания. Просто важнейшие аспекты этих явлений лежат в иных областях, отделяя которые друг от друга, мы упускаем самое важное.
В рамках расширенной интерпретации Эверетта стало возможным понимание того, что же есть на самом деле жизнь, в самом общем ее понимании. Для того. Что бы это увидеть попробуем понять, что же есть на самом деле выбор среди возможного набора возможных классических альтернатив. При этом надо иметь в виду, что этот выбор осуществляют и используют живые организмы. Важнейшим моментом является то, что каждая альтернатива есть ни что иное, как вероятное поведение "микроскопической” системы и ее "макроскопического” окружения. Иными словами, это именно та картина окружающего мира, которая возникает в сознании живого организма. В этой картине мир становится классическим, ведущим себя в соответствии с хорошо привычными классическими законами, то есть. этот мир становится предсказуемым, пусть даже в отдельной области, окружающей организм, и живой организм становится в состоянии выработать оптимальную стратегию для выживания в этом мире. Причем важнейшим фактором является именно классичность картины, формируемой сознанием, ее предсказуемость, поскольку в квантовом случае мир бы стал вероятностным, непредсказуемым. Миром, в котором не всегда выполняется принцип причинности. В этом случае выработка оптимальной стратегии выживания живого организма была бы невозможна в принципе, а, следовательно, стала бы невозможной предсказуемость эволюции живых организмов. Таким образом, классичность эвереттовских миров является просто необходимым условием для существования живых организмов.
Другими словами, живое существо в отличие от неживого обладает уникальной способностью особым образом воспринимать квантовый мир, проецируя его своим сознанием на мир классический. Мир, в котором с неизменностью осуществляется принцип причинности, в котором хорошо срабатывают приобретенные навыки. Мир, являющийся, по крайней мере, локально предсказуемым.
Эти рассуждения делают правдоподобным предположение о том, что явление разделения альтернатив, которое отождествляется с сознанием, не является законом природы, как это обычно предполагается в явной или неявной форме. Сознание является способностью, которую живые существа выработали в процессе эволюции, а точнее – в процессе зарождения жизни. Отсюда следует еще один, казалось бы, парадоксальный вывод о том, что классические законы природы, сформулированные с той или иной степенью точности высшими уровнями сознания, и успешно используемые нами в описании окружающего неживого мира просто не применимы для описания явлений, связанных с сознанием, с живыми организмами, особенно, для описания социума, поскольку в той или иной форме социум есть ни что иное, как продукт высших функций сознания.
Но самым интересным в обсуждаемой нами расширенной интерпретации Эверетта является заложенная в ней возможность, пусть и пока гипотетическая, экспериментальной проверки. Надежда ее проведения напрямую связана с разрабатываемыми в настоящий момент квантовыми компьютерами. Это так, поскольку в квантовых компьютерах эволюционируют квантовые состояния - кубиты, то есть, суперпозиции, содержащие огромное число компонент. Каждая компонента несет в себе некоторую информацию и эволюция всей квантовой системы такого компьютера развивается по законам квантового мира, а, следовательно, и обеспечивает одновременное преобразование всех вариантов классической информации. Следовательно, можно надеяться, что квантовый компьютер позволит моделировать такое явление, как сознание. Сознание, как оно определено в рамках расширенной интерпретации Эверетта. Задача состоит в том, что бы каким-либо образом сформулировать критерий выживания и подобрать закон эволюции так, что бы эволюция всех альтернатив была предсказуемой, и выживание в этих альтернативах было возможным. Задача эта крайне сложна, но принципиального запрета на ее реализацию пока не видно.
На этом мы завершим нашу небольшую экскурсию в квантовую метафизику, оставив за бортом еще много интересного и удивительного.
Автор выражает искреннюю благодарность редактору Damkinу за длительные и плодотворные дискуссии и профессору, доктору технических наук, Семенову Александру Николаевичу за неоценимую техническую помощь, без которой появление этой статьи было бы весьма затруднительно.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
18.10.2014, 20:27
http://www.youtube.com/watch?v=JgatWlaFQmI
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
22.11.2014, 22:34
Квантовая математика
http://rusplt.ru/netcat_files/79/127/640x420/kvant_640.jpg Внутри нейтринного детектора
Иэн Стюарт о сложнейших математических задачах, стараясь без формул и уравнений
Великий математик Карл Гаусс однажды сказал: «Главное в математике — идеи, а не символы». Британский популяризатор науки Иэн Стюарт этот принцип положил в основу своей книги «Величайшие математические задачи». В ней он прослеживает историю главной науки через призму самых сложных, нерешаемых веками теорем и гипотез, стараясь минимально использовать математический язык формул и уравнений. Но Стюарт не отказывается от афоризма про «царицу наук». «Величайшие математические задачи» — это рассказ об истории научного знания вообще, которое развивается исключительно вследствие развития математики.
отрывок из книги Иэна Стюарта «Величайшие математические задачи», посвященный истокам квантовой механики.
http://rusplt.ru/netcat_files/userfiles3/1november/kvant_1_600.jpg
Пока все это происходило, кое-кто из ученых начал понимать, что атомы вовсе не являются неделимыми. Они обладают структурой, и от них можно отбивать маленькие кусочки. В 1897 году Джозеф Томсон, экспериментируя с катодными лучами, открыл, что атомы можно заставить испускать еще более мелкие частицы, электроны. И не только это: оказалось, что атомы разных элементов испускают одни и те же частицы. При помощи магнитного поля Томсон показал, что электроны несут отрицательный электрический заряд. Но атом электрически нейтрален, так что в нем должна быть какая-то часть, обладающая положительным зарядом. Обдумав это, Томсон предложил модель атома, известную как «пудинг с изюмом»: атом похож на положительно заряженный пудинг с отрицательно заряженными электронами-изюминками внутри. Но в 1909 году Эрнест Резерфорд, один из бывших студентов Томсона, провел эксперимент и продемонстрировал, что большая часть массы атома сосредоточена возле его центра. Пудинги такими не бывают.
Как можно экспериментально прозондировать такую крохотную область пространства? Представьте себе участок земли, на котором могут быть здания и другие сооружения, а может и не быть ничего. Вам не позволяется входить на эту территорию, к тому же вокруг темно, хоть глаз выколи, и ничего не видно. Однако у вас есть винтовка и неограниченный запас патронов. Вы можете стрелять наугад в направлении участка и отслеживать направление, в котором пули из него вылетают. Если участок напоминает пудинг с изюмом, то большая часть пуль пролетит насквозь по прямой. Если вам придется время от времени уворачиваться от пуль, срикошетивших прямо на вас, то можно будет сделать вывод, что впереди находится что-то довольно твердое. Наблюдая за тем, как часто пули вылетают с участка под тем или иным углом, вы сможете оценить размеры твердого объекта.
Пулями Резерфорда стали альфа-частицы — ядра атомов гелия, а участком земли для него служила тончайшая золотая фольга. Работа Томсона показала, что электроны-изюминки обладают очень малой массой, так что почти вся масса атома должна была приходиться на сам пудинг. Если бы в пудинге не было уплотнений, то большая часть альфа-частиц должна была бы пролетать насквозь. Лишь некоторые частицы могли отклоняться от своего пути, и то ненамного. Вместо этого оказалось, что небольшая, но заметная часть альфа-частиц отклонялась на достаточно большие углы, что явно не соответствовало картине пудинга. Резерфорд предложил другую метафору, которой мы часто пользуемся и сегодня, несмотря на существование более современных моделей. Речь идет о планетарной модели атома. Атом подобен Солнечной системе, предположил Резерфорд: в нем есть громадное центральное ядро, «солнце» системы, а вокруг ядра, подобно планетам, обращаются электроны. Поэтому атом, как и Солнечная система, по большей части представляет собой пустое пространство.
Резерфорд пошел дальше и нашел доказательства того, что ядро состоит из двух различных типов частиц: протонов, несущих положительный заряд, и нейтронов с нулевым зарядом. Массы тех и других очень близки и примерно в 1800 раз превосходят массу электрона. Таким образом, атомы не только не являются неделимыми, но и состоят из еще более мелких субатомных частиц. Эта теория объясняет целочисленную нумерологию химических элементов: оказывается, подсчитывается не что-нибудь, а количество протонов и нейтронов. Кроме того, она объясняет изотопы: добавление или удаление нескольких нейтронов изменяет массу атома, но сохраняет его суммарный нулевой заряд и число электронов, равное числу протонов. Химические свойства атома определяются в основном его электронами. К примеру, хлор-35 содержит 17 протонов, 17 электронов и 18 нейтронов; хлор-37 — 17 протонов, 17 электронов и 20 нейтронов. Атомная масса 35,45 возникает потому, что природный хлор представляет собой неравную смесь этих двух изотопов.
В начале XX в. появилась и новая теория, применимая к веществу в масштабе субатомных частиц. Она получила название «квантовая механика», и после ее появления физика принципиально изменилась и уже никогда не будет прежней. Квантовая механика предсказала множество новых явлений, которые затем удалось пронаблюдать в лаборатории, и существование новых элементарных частиц. Она также помогла понять прежде не поддававшиеся объяснению явления. Наконец, она изменила наши представления о Вселенной, поскольку классический ее образ, несмотря на великолепную согласованность со всеми предыдущими наблюдениями, оказался неверен. Человеческие органы чувств плохо приспособлены для восприятия реальности на фундаментальном уровне.
http://rusplt.ru/netcat_files/userfiles3/1november/kvant_2_600.jpg
Эрнест Резерфорд с ассистентом Хансом Гигером в своей лаборатории, 1913 год. Источник: Alexander Turnbull Library В классической физике вещество состоит из частиц, а свет представляет собой волну. В квантовой механике свет тоже частица, фотон; и наоборот, вещество (к примеру, электроны) может иногда вести себя как волна. Прежнее четкое деление на волны и частицы не то чтобы размывается, а вовсе исчезает, сменяясь корпускулярно-волновым дуализмом. Если воспринимать все буквально, планетарная модель атома работала не слишком хорошо, поэтому вскоре появился новый образ. Электроны не обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, а образуют размытое облако с центром в ядре — облако вероятностей, а не чего-то конкретного. Плотность облака в некоторой точке соответствует вероятности обнаружить в данной точке электрон.
Итак, помимо протонов, нейтронов и электронов физики знали еще одну субатомную частицу — фотон. Вскоре появились и другие. Кажущееся нарушение закона сохранения энергии побудило Вольфганга Паули предложить коллегам исправить положение — постулировать существование нейтрино, невидимой и практически необнаружимой новой частицы, которая объяснила бы утечку энергии. Необнаружимость частицы, однако, оказалась неполной, что позволило в 1956 году подтвердить ее существование. После этого как будто распахнулись шлюзы. Пионы, мюоны, каоны посыпались как из рога изобилия (последние были открыты в результате наблюдения космических лучей). Появилась новая дисциплина — физика элементарных частиц, и первым ее рабочим инструментом стал метод Резерфорда, позволявший проводить зондирование на тех невероятно малых масштабах, о которых шла речь: чтобы выяснить, как устроен тот или иной объект, нужно бомбардировать его разными «снарядами» и смотреть на результат. Началось строительство и использование все более масштабных ускорителей частиц — по существу, орудий, стреляющих теми самыми пробными снарядами. Стэнфордский линейный ускоритель имел длину 3 километра. Чтобы не строить ускорителей длиной в целый континент, их стали изгибать и замыкать в круг, чтобы частицы могли беспрерывно двигаться по ним, одновременно набирая колоссальные скорости. Это серьезно усложнило технологию, поскольку частицы при движении по кругу излучают энергию, но с этим научились справляться.
Первым результатом этих трудов стал растущий каталог элементарных вроде бы частиц. Энрико Ферми так выразил свое разочарование: «Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я был бы ботаником». Однако время от времени в квантовой теории появлялись новые идеи, и список вновь менялся: предлагались очередные мельчайшие частицы, чтобы объединить уже наблюдавшиеся структуры.
Вначале квантовая механика описывала отдельные волноподобные или частицеподобные явления, но никто не мог вразумительно описать квантово-механический аналог поля. Однако игнорировать этот пробел было невозможно, потому что частицы, описываемые квантовой механикой, могут взаимодействовать и взаимодействуют с полями, которые на тот момент квантовой механикой не описывались. Пред-ставьте, что кто-то захотел бы выяснить, как движутся плане-ты Солнечной системы, притом что ньютоновы законы движения (описывающие, как движутся массы под действием сил) были бы известны, а вот его же закон тяготения (объясняющий, что представляют собой эти силы) — нет.
Но помимо частиц была и другая причина стремиться прояснить вопрос с полями. Благодаря корпускулярно-волновому дуализму то и другое теснейшим образом связано. По существу, частица — это скомканный кусочек поля, а поле — это море плотно упакованных частиц. Эти две концепции неразделимы. К несчастью, разработанные к тому моменту методы были основаны на том, что частицы похожи на крохотные точки, и никак не распространялись на поля. Невозможно просто согнать множество частиц в одно место и назвать то, что получилось, полем, потому что частицы взаимодействуют друг с другом.
Представьте толпу людей… к примеру, в поле. Может быть, они собрались там послушать рок-концерт. Если посмотреть из пролетающего вертолета, толпа людей похожа на жидкость, хлюпающую в поле — часто буквально, как, к примеру, на фестивале в Гластонбери: известно, что поле там превращается в море грязи. Внизу, на земле, становится ясно, что на самом деле жидкость — это бурлящая масса отдельных частиц: людей. Или, возможно, тесных небольших групп людей, таких как несколько гуляющих вместе друзей, которые представляют собой неделимую единицу, или как группа незнакомых людей, объединенных общей целью — к примеру, походом в бар. Но невозможно точно смоделировать толпу, просто сложив воедино поведение отдельных людей (то, как они вели бы себя в одиночестве). Направляясь к бару, одна группа преграждает путь другой, группы сталкиваются и перемешиваются. Разработка эффективной квантовой теории поля напоминает моделирование поведения толпы, в которой роль людей выполняют локализованные квантовые волновые функции.
http://rusplt.ru/netcat_files/userfiles3/1november/kvant_3_600.jpg
Поль Дирак. Источник: Florida State University (http://www.physics.fsu.edu) К концу 1920-х годов физики убедились (в частности, при помощи подобных рассуждений), что, как бы трудна ни была задача, квантовую механику придется расширять, чтобы она могла описывать не только частицы, но и поля. Естественной отправной точкой для этого стало электромагнитное поле. Необходимо было каким-то образом квантовать и электрический, и магнитный его компоненты, то есть переписать его характеристики на языке квантовой механики. Но тут возникали сложности. Математический аппарат квантовой механики был незнаком и к тому же выглядел крайне нефизически. То, что можно было увидеть и измерить, уже не выражалось добрыми старыми числами, а соответствовало операторам гильбертова пространства: математическим правилам, разработанным для работы с волнами. Эти операторы нарушали обычные постулаты классической механики. При перемножении двух чисел результат не зависит от их порядка; к примеру, 2 × 3 и 3 × 2 — это одно и то же. Это свойство сложения, известное как коммутативность, нарушается для многих пар операторов — примерно так же, как надеть сначала носки, а затем ботинки, не то же самое, что сначала надеть ботинки, а затем носки. Числа — существа пассивные, а вот операторы — активны. Действие, которое вы произведете первым, подготавливает сцену для дальнейших событий.
Коммутативность — очень приятное математическое свойство. Его отсутствие раздражает и мешает, поэтому, в частности, квантование поля оказалось такой хитрой задачей. Тем не менее она решаема. Электромагнитное поле удалось квантовать в несколько этапов. Начался этот процесс с теории электрона Дирака (1928), а завершили его Синъитиро Томонага, Джулиан Швингер, Ричард Фейнман и Фримен Дайсон в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Получившаяся в результате теория стала называться квантовой электродинамикой.
Точка зрения, использованная при разработке этой теории, давала подходы к методу, который мог бы применяться и более широко. В основе его лежала идея, восходившая непосредственно к Ньютону. Пытаясь решить уравнения, связанные с законом Ньютона, ученые открыли несколько полезных общих принципов, известных как законы сохранения. Дело в том, что при движении системы массивных тел некоторые величины остаются неизменными. Самая известная из них — энергия, которая бывает двух видов: кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия определяется тем, насколько быстро движется тело, а потенциальная — представляет собой работу, проделанную определенными силами. Когда камень падает со скалы, он как бы обменивает потенциальную энергию, связанную с тяготением, на кинетическую. Говоря обычным языком, он падает и ускоряется. Кроме этого, сохраняются такие величины, как импульс, равный произведению массы на скорость, и момент импульса, связанный со скоростью вращения тела. Сохраняющиеся величины связывают различные переменные, используемые для описания системы, и таким образом уменьшают их число.
К началу XX века ученые разобрались в том, откуда взялись законы сохранения. Эмми Нетер доказала, что каждая сохраняющаяся величина соответствует непрерывной группе симметрий в уравнениях. Симметрия — это математическое преобразование, при котором уравнения не меняются. Все симметрии образуют группу с операцией «провести одно преобразование, затем другое». Непрерывная группа — это группа симметрий, определенная единственным действительным числом. К примеру, вращение вокруг заданной оси есть симметрия, и угол вращения может задаваться любым действительным числом, поэтому вращения — на все возможные углы — вокруг заданной оси образуют непрерывную группу. Из сохраняющихся величин с этой симметрией связан момент импульса, или вращательный момент. Точно так же сохранение импульса связано с непрерывной группой перемещений в заданном направлении. А как насчет энергии? Ее сохранение связанно с временными симметриями — уравнения неизменны в любой момент времени.
Подробнее http://rusplt.ru/world/kvantovaya-matematika-14531.html
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
25.06.2016, 09:00
Как телепортация сохранит России триллионы долларов
http://reired.ru/wp-content/uploads/2016/06/detail_16cedc5052e6eb78b4c8882f3a237ca4.jpg
На этой неделе стало известно о программе «Национальная технологическая инициатива», созданной Агентством стратегических инициатив по поручению президента Владимира Путина. В ней на 2025-2035 годы запланировано «внедрение нейроинтерфейса, квантовых вычислений, телепортации, использование природоподобных явлений для передачи информации».
Поиграли
Выводы квантовой механики, описывающей микромир, трудно соотнести с представлениями о классическом мире, описываемом классической механикой. Если положение и импульс классической частицы могут быть одновременно измерены, то в квантовом случае можно узнать лишь вероятность нахождения частицы в том или ином состоянии. Более того, квантовая теория утверждает: когда две системы запутаны (об этом — ниже), измерение состояния одной из них мгновенно сказывается на другой.
Альберт Эйнштейн был не согласен с вероятностной интерпретацией квантовой механики. Именно в связи с этим он говорил, что «бог не играет в кости» (на это датский физик Нильс Бор позднее ответил, что не Эйнштейну решать, чем заниматься богу). Немецкий ученый не принимал неопределенности, свойственной микромиру, и считал верным классический детерминизм. Создатель общей теории относительности полагал, что при описании микромира квантовая механика не учитывает некоторых скрытых переменных, без которых сама квантовая теория является неполной.
За 90 лет существования понятия квантовой механики (с 1920-х годов) исследователям удалось показать, что Эйнштейн ошибался: в квантовой механике, скорее всего, нет скрытых параметров. Это означает, что ее теоретические выводы имеют прямое отношение к действительности, которая, в свою очередь, не зависит от ее восприятия человеком. У этой теории возникают далеко идущие практические следствия. Связаны они прежде всего с квантовыми компьютерами и квантовой криптографией.
Посчитали
В обычном компьютере информация представлена с помощью битов, которые могут принимать только одно из двух значений: 0 или 1. В квантовом компьютере понятие (классического) бита обобщается до квантового бита (кубита), и кроме одного из двух значений — 0 или 1 — кубит может принимать бесконечное число значений, являющееся квантовой суперпозицией базисных состояний 0 и 1.
В качестве таких состояний может быть использована пара значений какой-нибудь квантовой характеристики частицы (атома, электрона или фотона) — например, ориентация спина. Считается, что массовое производство таких компьютеров приведет к существенному прогрессу в вычислениях; квантовые устройства будут на порядки превосходить возможности современных вычислительных систем.
Для запоминающих устройств (физических носителей) могут использоваться, например, специальные сверхпроводящие твердотельные материалы, частицы в которых могут быть приведены в особое возбужденное (квантовое) состояние, идентифицируемое как состояние кубита. Управлять таким материалом (и квантовыми состояниями) можно с помощью, например, лазерного излучения.
https://icdn.lenta.ru/images/2016/06/23/12/20160623120657722/pic_c55ba2e8ff0d0097fd9b7da2a3e3dfbd.jpg«Жуткое дальнодействие» между Бобом и Алисой Изображение: NASA/JPL-Caltech Основные затруднения в использовании квантовых компьютеров сводятся к их высокой чувствительности к влиянию окружающей среды, которое может необратимым образом изменять квантовые состояния. Поэтому перед началом работы квантовые системы настраиваются (калибруются) продолжительное время; специалистам требуется учесть в настройке десятки параметров. Кроме того, работа квантового компьютера предполагает использование специальных квантовых алгоритмов, адаптированных для конкретного устройства.
Запутали
Квантовая криптография представляет собой метод шифрования информации (ее защиты) при помощи квантовой запутанности и специальных квантовых протоколов. В перспективе это должно привести к созданию рабочих невзламываемых алгоритмов генерации случайных чисел и даже квантовых денег.
Квантовой запутанностью называется явление, при котором квантовые состояния частиц (например, спин электрона или поляризация фотона), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Процедура измерения состояния одной частицы приводит к изменению состояния другой — таким образом состояние одной частицы может быть передано другой даже в том случае, если она удалена от нее, — именно в этом и заключается квантовая телепортация и одно из главных отличий микромира от макромира, с которым был не согласен Эйнштейн.
В типичном эксперименте по квантовой запутанности разнесенные на расстояние взаимодействующие агенты — Алиса и Боб — обладают каждый одной частицей (фотонов или электронов) из пары запутанных. Измерение частицы одним из агентов — например, Алисой — коррелирует с состоянием другой, хотя Алиса и Боб заранее не знают о манипуляциях друг друга.
Это означает, что частицы каким-то образом сохраняют информацию друг о друге, а не обмениваются ею, скажем, со световой скоростью при помощи какого-либо известного науке фундаментального взаимодействия. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Запутанные частицы нарушают принцип локальности, согласно которому на состояние объекта может оказывать влияние только его близкое окружение, поэтому считается, что для квантовой механики локальный реализм (принцип локальности) не выполняется.
Построили
В настоящее время квантовые исследования переходят из теоретического русла в практическое. Рекорды квантовой телепортации составляют 102 километра (по оптоволокну) и 143 километра (по воздуху). Китай заявил о намерении осуществить квантовую телепортацию между Землей и космосом на расстояние 1,2 тысячи километров. Все это позволит иметь заинтересованным сторонам надежный и защищенный канал связи.
https://icdn.lenta.ru/images/2016/06/23/12/20160623120822078/pic_b8b7b798cc219a5763567fdd8a4731c2.jpgУстройства компании D-Wave Systems Фото: dwavesys.com Сегодня все больше крупных компаний заинтересованы в разработке и покупке квантовых компьютеров. Самое популярное устройство такого рода — D-Wave 2X, созданное канадской компанией D-Wave Systems. В настоящее время D-Wave Systems является единственной в мире фирмой, создающей и продающей свои квантовые компьютеры. Интерес к D-Wave 2X проявили Google и НАСА.
Как показали тесты со специализированным программным обеспечением, проведенные D-Wave Systems, устройство до 600 раз быстрее решает задачи оптимизации по сравнению с классическим компьютером (без учета времени ввода и вывода данных). Если учитывать загрузку и выгрузку информации, D-Wave 2X обгоняет обычный компьютер в 15 раз. D-Wave 2X нередко критикуют те, кто имеет гораздо более скромные результаты.
Уже создан прототип квантового компьютера, который допускает масштабирование при реализации квантового алгоритма Шора, предлагающего способ разложения натурального числа на простые множители. Именно он используется при считывании информации с банковских пластиковых карточек и в других конфиденциальных операциях. Максимальная безопасность процедуры позволит сохранить конфиденциальность и сэкономить большое количество денег — тем, у кого они есть, и тем, кто планирует вкладывать их в исследования ученых.
Источник (http://lenta.ru)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
14.09.2016, 16:46
http://pavel-sviridov.livejournal.com/380019.html?utm_source=fbsharing&utm_medium=social
В исследовании поведения квантовых частиц учёные из Австралийского национального университета подтвердили (http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3116792/Does-future-affect-PAST-Physicists-demonstrate-time-run-backwards.html), что квантовые частицы могут вести себя настолько странно, что кажется, будто они нарушаютпринцип причинности (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%BF_%D0%BF% D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1 %82%D0%B8).
Этот принцип — один из фундаментальных законов, который мало кто оспаривает. Хотя многие физические величины и явления не меняются, если мы обратим время вспять (являются Т-чётными (https://ru.wikipedia.org/wiki/T-%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D 1%8F)), существует фундаментальный эмпирически установленный принцип: событие А может влиять на событие Б, только если событие Б произошло позже. С точки зрения классической физики — просто позже, с точки зрения СТО — позже в любой системе отсчёта, т.е., находится в световом конусе с вершиной в А.
Пока что только фантасты сражаются с «парадоксом убитого дедушки (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%81_% D1%83%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D 0%B5%D0%B4%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B8)» (вспоминается рассказ, в котором оказалось, что дедушка вообще был ни при чём, а надо было заниматься бабушкой). В физике путешествие в прошлое обычно связано с путешествием быстрее скорости света, а с этим пока было всё спокойно (http://phys.org/news/2012-03-faster-than-light-particles-cross-check.html).
Кроме одного момента — квантовой физики. Там вообще много странного. Вот, например, классический эксперимент с двумя щелями. Если мы поместим препятствие со щелью на пути источника частиц (например, фотонов), а за ним поставим экран, то на экране мы увидим полоску. Логично. Но если мы сделаем в препятствии две щели, то на экране мы увидим не две полоски, а картину интерференции. Частицы, проходя сквозь щели, начинают вести себя, как волны, и интерферируют друг с другом.
https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/693/220/658/6932206581be3dc4d1347a3b28efa3d2.jpg
Чтобы исключить возможность того, что частицы на лету сталкиваются друг с другом и оттого не рисуют на нашем экране две чёткие полосы, можно выпускать их поодиночке. И всё равно, через какое-то время на экране нарисуется интерференционная картина. Частицы волшебным образом интерферируют сами с собою! Это уже гораздо менее логично. Выходит, что частица проходит сразу через две щели — иначе, как она сможет интерферировать?
А дальше — ещё интереснее. Если мы попытаемся понять, через какую всё-таки щель проходит частица, то при попытке установить этот факт частицы мгновенно начинают вести себя, как частицы и перестают интерферировать сами с собою. То есть, частицы практически «чувствуют» наличие детектора у щелей. Причём, интерференция получается не только с фотонами или электронами, а даже с довольно крупными по квантовым меркам частицами. Чтобы исключить возможность того, что детектор каким-то образом «портит» подлетающие частицы, были поставлены достаточно сложные эксперименты.
Например, в 2004 году был проведён эксперимент с пучком фуллеренов (молекул C70, содержащих 70 атомов углерода). Пучок рассеивался на дифракционной решетке, состоящей из большого числа узких щелей. При этом экспериментаторы могли контролируемо нагревать летящие в пучке молекулы посредством лазерного луча, что позволяло менять их внутреннюю температуру (среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри этих молекул).
Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам можно, в принципе, с точностью до длины волны испускаемого кванта, определить траекторию испустившей их молекулы. Чем выше температура и, соответственно, меньше длина волны кванта, тем с большей точностью мы могли бы определить положение молекулы в пространстве, а при некоторой критической температуре точность окажется достаточна для определения, на какой конкретно щели произошло рассеяние.
Соответственно, если бы кто-то окружил установку совершенными детекторами фотонов, то он, в принципе, мог бы установить, на какой из щелей дифракционной решетки рассеялся фуллерен. Другими словами, испускание молекулой квантов света дало бы экспериментатору ту информацию для разделения компонент суперпозиции, которую нам давал пролетный детектор. Однако никаких детекторов вокруг установки не было.
В эксперименте было обнаружено, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, совершенно аналогичная картине от двух щелей в опыте с электронами. Включение лазерного нагрева приводит сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции. Было установлено, что при температурах T < 1000K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T > 3000K, когда траектории фуллеренов «фиксируются» окружающей средой с необходимой точностью — как классические тела.
Таким образом, роль детектора, способного выделять компоненты суперпозиции, оказалась способна выполнять окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами в той или иной форме и записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена. И совершенно не важно, через что идет обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека.
Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица — а кто ее получит, и получит ли, уже не важно. Важно только, что такую информацию принципиально возможно получить.
Вам кажется, что это — самое странное проявление квантовой механики? Как бы не так. Физик Джон Уиллер предложил в конце 70-х мысленный эксперимент, который он назвал «эксперимент с отложенным выбором (https://en.wikipedia.org/wiki/Wheeler%27s_delayed_choice_experiment)». Рассуждения его были просты и логичны.
Хорошо, допустим, что фотон каким-то неведомым способом узнаёт, что его будут или не будут пытаться обнаружить, до подлёта к щелям. Ведь ему надо как-то определиться — вести себя, как волна, и проходить через обе щели сразу (чтобы в дальнейшем уложиться в интерференционную картину на экране), или же прикинуться частицей, и пройти только через одну из двух щелей. Но ему это нужно сделать до того, как он пройдёт через щели, так ведь? После этого уже поздно — там либо лети, как маленький шарик, либо интерферируй по полной программе.
Так давайте, предложил Уиллер, расположим экран подальше от щелей. А за экраном ещё поставим два телескопа, каждый из которых будет сфокусирован на одной из щелей, и будет реагировать только на прохождение фотона через одну из них. И будем произвольным образом убирать экран после того, как фотон пройдёт щели, как бы он их ни решил проходить.
https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/164/808/da4/164808da49c0c302fcdfc746bf122c27.jpg
Если мы не будем убирать экран, то по идее, на нём всегда должна быть картина интерференции. А если мы будем его убирать — тогда либо фотон попадёт в один из телескопов, как частица (он прошёл через одну щель), либо оба телескопа увидят более слабое свечение (он прошёл через обе щели, и каждый из них увидел свой участок интерференционной картины).
В 2006 году прогресс в физике позволил учёным поставить такой эксперимент (http://arxiv.org/abs/quant-ph/0610241)с фотоном на самом деле. Выяснилось, что если экран не убирают, на нём всегда видна картина интерференции, а если убирают — то всегда можно отследить, через какую щель прошёл фотон. Рассуждая с точки зрения привычной нам логики, мы приходим к неутешительному выводу. Наше действие по решению, убираем мы экран или нет, влияло на поведение фотона, несмотря на то, что
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
09.02.2017, 15:17
Морфогенное поле: Квантовая теория сознания Руперта Шелдрейка
https://cont.ws/@daralit/503266
(https://cont.ws/shop#accounts)
Почему человек чувствует чужой взгляд спиной, голуби возвращаются в голубятню, а лучший способ обучения - это пребывание в поле мастера?
В начале прошлого века в Европе молочники по утрам обходили дома и оставляли возле домов заказчиков бутылки с молоком, что было удобно не только для людей, но и для птиц. Синицы из английского города Саутгемптон проклёвывали крышки бутылок и завтракали молоком. Через определённое время то же самое стали делать птицы за сотни километров от Саутгемптона, а к 40-м годам уже все европейские синицы освоили этот метод. Однако, война заставила и людей, и птиц на время забыть о доставке молока на дом. Молочники возобновили её лишь через восемь лет, и синицы вновь принялись проклёвывать крышки.
Но это было новое поколение птиц, так как синицы живут три года. Им удалось прямо сейчас освоить “науку” предков.
Всё это свойства внутреннего ритмополя, в котором есть вся информация Вселенной.
Изучению этого посвящен бестселлер Руперта Шелдрейка “Семь экспериментов, которые могут изменить мир”.
Руперт Шелдрейк создал теорию информационного поля, которое материализует мысли людей, и если они омрачены, то жизнь превращается в кошмар, а если светлы, то в радость. Люди сами, своими мыслями творят мир, в котором живут.
Например, Шелдрейк заметил, что человек тем легче усваивает знание, чем большему числу людей оно известно и существует некое поле образов, общее для всех людей.
Образами такого поля могут стать информация, чувство или модель поведения. Подобные поля есть не только у людей, но и у животных, птиц, насекомых, растений и даже у кристаллов.
Кстати, тот или иной кристалл принимает строго определённую, а не произвольную форму.
Шелдрейк назвал поля образов морфогенными - такими, которые влияют на структуру, или форму вещей.
Биолог из Гарварда Вильям Макдугалл пятнадцать лет заставлял подопытных крыс искать выход из лабиринта. Полученные в эксперименте данные были ошеломляющими: если первое поколение крыс, прежде чем найти выход, совершало в среднем 200 ошибок, то последнее ошибалось всего 20 раз.
К ещё более сенсационным результатам привел повтор опыта в Австралии. Там крысы сразу же находили выход из лабиринта. Они не были ни родственниками, ни потомками крыс-“первопроходцев”, а значит, не могли усвоить знание о лабиринте на генетическом уровне, как предполагал в своё время Макдугалл.
Известно, что у термитов есть навыки отменных архитекторов.
Устраивая новое жилище, эти насекомые делятся на две “бригады” и возводят абсолютно симметричные половинки термитника. Все термитники похожи один на другой, как при типовом строительстве. Ничто не может помешать согласованным действиям термитов, даже если в начале строительства перегородить их будущее жилище стальным листом, термитник всё равно получится симметричным. И это при том, что во время строительства насекомые никак не общаются друг с другом и не наблюдают за работой соседней “бригады”, поскольку термиты слепы от рождения.
Резонансное считывание мысли
Всё это означает, что мозг человека или животного сам по себе не содержит ни памяти, ни знаний, но всё это в избытке есть в морфогенных полях. И мозг в случае необходимости настраивается на определённое морфогенное поле так же, как радиоприемник на радиоволну. “Поймать” в морфогенном эфире собственную память, разумеется, намного проще, чем память других людей.
Но, при умелой “настройке” становится доступной память любого человека или социума.
Так что, если учить английский язык, не обязательно сидеть за словарями и слушать кассеты, а достаточно “настроить” свой мозг на английскую волну.
Лучше всего мозг “настраивается” на общеизвестные образы.
Английский учится легче суахили или хинди, потому что им владеет куда больше людей.
Сам Шелдрейк поясняет этот феномен на примере с крысами: “Если научить чему-нибудь крыс в Манчестере, то крысы этой породы по всему миру будут гораздо быстрее усваивать тот же трюк, даже если между ними не будет никакой известной науке физической связи или общения. Чем больше крыс обучатся чему-то, тем легче то же самое усвоят их последователи”.
Морфогенные поля могут видоизменяться под действием новых знаний.
Если ещё вчера никому неизвестное знание завтра распространится повсеместно, его поле также распространится и станет доступным большему числу людей, животных, растений.
Впечатанные в морфогенное поле и доступные буквально всем образы Шелдрейк называет “привычками”.
Их учёный противопоставляет законам Природы, полагая, что Вселенная не подчиняется раз и навсегда установленным законам, а живёт, согласуясь с образами, заключёнными в общей памяти Природы.
Образы-привычки, отвечающие за гравитационные и электромагнитные поля, атомы водорода, атмосферу, мировой океан достаточно стабильны, но это не значит, что они не могут меняться.
Ведь, наряду с другими привычками, у Природы существует и привычка к изменению.
Эволюция жизни, культуры, человека — это стремление к развитию, присущее Природе вещей, глубоко впечатанное в её морфогенное поле.
Если есть морфогенные поля, общие для всех людей и животных, то получается, что всё в Мире взаимосвязано. Когда мы узнаём что-то новое, это узнаём не только мы, но и все люди, вся Вселенная, наше знание становится общим.
Это тотальный всеобщий разум.
Общностью осознания Шелдрейк объясняет паранормальные явления, такие, как телепатия или способность человека “чувствовать взгляд спиной”.
По Шелдрейку, человек не чувствует взгляд, а улавливает мысль смотрящего ему в спину. Способность чувствовать взгляд можно развить. Взгляд спиной хорошо чувствуют параноики, люди под действием наркотиков, а также мастера боевых искусств. Теорией морфогенных полей объясняется феномен предсказания. Человек, составляя тот или иной прогноз, посылает в морфогенное поле определённую информацию, которая затем возвращается в виде реально свершившегося события. Эту особенность инфополей используют психологи, призывающие пациентов быть оптимистами, думать о хорошем, и тогда жизнь наладится.
Программирование ожиданий ученого
Феноменом программирования пользуются и учёные, которые осознанно применяют программирующие способности полей в полном объёме.
Ученый приступает к опыту, ожидая от него определённого эффекта, и чем сильнее он надеется на тот или иной исход, тем больше шансов, что ожидаемое случится.
Ожидание учёного, отпечатавшееся в морфогенном поле, влияет на результат эксперимента. Остроумно подмечено, что физики-ядерщики не столько открыли субатомные частицы, сколько придумали их: сначала предсказали их существование теоретически и лишь затем начали практические опыты по их выявлению.
Исследователи программируют, или зомбируют, не только себя, но и всех вокруг. Как только человек обращается к психоаналитику-фрейдисту, ему начинают сниться сны по Фрейду.
Экстрасенс демонстрирует свои паранормальные способности в присутствии исследователя, который верит в экстрасенсорику, и не может ничего выдать в присутствии экспериментатора-скептика. Даже лабораторные животные попадают под влияние учёных.
Если экспериментатор считает данную мышь особо талантливой, она ведёт себя смышлёнее сородичей, независимо от объективных данных. Животные перенимают национальные черты исследователей.
Мыши, с которыми работают американцы, суетливо носятся по клеткам, отвлекаются на пустяки и лишь в последний момент выдают требуемый результат. Животные “немцы” долго размышляют, а затем неторопливо и точно выполняют задание.
Информационные фантомы
Морфогенные поля есть не только у человечества в целом, но и у каждого человека.
Эти поля образуют наши мысли, чувства, эмоции, поведение и тело.
При этом всё, что когда-либо было в поле зрения морфогенного поля, не исчезает бесследно, а остаётся в нём навсегда.
Мы можем вспомнить формулу, которую учили в институте, вновь воспылать любовью к человеку, в которого были влюблены тридцать лет назад, а можем почувствовать часть тела, которой лишились.
Любой человек может настроиться на морфогенное поле другого. Шелдрейк провёл эксперименты, в ходе которых выяснилось, что посторонние люди могут чувствовать ампутированные фантомные конечности человека.
Главным участником одного из опытов был американец Казимир Бернард, потерявший правую голень во время войны. Казимир дотрагивался своей фантомной ногой до других людей, и те ощущали прикосновение. Во время другого эксперимента медсестра, работавшая в ампутационном отделении, настолько достоверно описывала фантомы своих пациентов, что создавалось ощущение, будто она их видит. Реагируют на фантомные конечности и животные.
Звери считывают информацию формообразующих полей
Научная идея о том, что части одного целого, будучи разобщёнными, продолжают поддерживать взаимосвязь, не нова.
Это открыли задолго до Шелдрейка. В Малайзии издавна считается, что всё, Мегасейчас связанное с телом человека и затем отделённое от него, остается в неразрывной связи с этим телом. Малазийцы не выбрасывают остриженные ногти и волосы, полагая, что кто-то их подберёт и при помощи ведьмовства накликает на владельца ногтей или волос беду.
То же утверждается в квантовой теории: если две частицы отрываются от одного атома, то, каким бы большим ни было расстояние между ними, всё, что воздействует на одну частицу, также воздействует и на вторую.
Шелдрейк впервые предложил считать единым целым не только тело человека или атом, но всё, что можно объединить по какому-либо признаку.
Домашние животные и их хозяева, согласно Шелдрейку, есть целое, и нет ничего удивительного в том, что, когда это целое распадается, его части продолжают считывать информацию с морфогенных полей друг друга.
Собаки и кошки словно чувствуют своего хозяина, поджидают его у двери, даже если тот возвращается в неурочный час, угадывают хозяйское намерение покормить их или вывести на прогулку, улавливают малейшее изменение в настроении владельца.
Подобное поведение не всегда можно объяснить острым слухом и обонянием.
Например, в случае, когда питомцы догадываются о предстоящей разлуке с хозяевами, когда те ещё только размышляют о предполагаемой прогулке, оставив собаку или кошку дома.
Мегаинфополе объясняет способность голубей находить путь домой.
Биологи уже больше века экспериментируют с голубями и до сих пор не могут понять, как голуби возвращаются на родную голубятню даже из самой отдалённой местности.
Шелдрейк считает, что между птицами и их домом существует проходящая сквозь морфогенные поля эластичная нить, которая натягивается, когда голуби улетают прочь от дома, а затем сжимается и притягивает птиц обратно.
Та же нить притягивает и заблудившихся или брошенных вдали от своего хозяина кошек и собак.
Сходным образом ведут себя и дикие стайные животные. Отставшие от стаи волки всегда находят своих сородичей, лисицы успокаивают разыгравшихся щенков, находясь на значительном расстоянии от них и не издавая ни единого звука, но пристально глядя в сторону своей норы.
Звери считывают информацию с формообразующих полей человека или друг друга.
Нередки случаи, когда братья меньшие сканируют глобальные морфогенные поля.
Общеизвестна способность животных предчувствовать катастрофы.
История знает много примеров. В древнем Китае специально держали собак-предсказателей стихийных бедствий.
Источник (http://nashaplaneta.su/news/morfogennoe_pole_kvantovaja_teorija_soznanija_rupe rta_sheldrejka/2017-01-25-39760)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
16.03.2017, 17:08
https://www.youtube.com/watch?v=vvIaFkBru3s
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
16.07.2017, 06:46
Можно ли отправить послание, ничего не отправляя?
5 часов ago Наука (http://reired.ru/category/%d0%9d%d0%b0%d1%83%d0%ba%d0%b0/) 384 Просмотры
Мы связываемся между собой при помощи частиц. Звонки и сообщения едут верхом на волнах света, веб-сайты и фотографии загружаются на электронах. Все коммуникации по своей сути физические. Информация записывается и передается реальным объектам, даже если мы их не видим. Физики также подключаются к миру, когда общаются с ним. Они отправляют вспышки света в направлении частиц или атомов и ждут, когда свет вернется обратно. Свет взаимодействует с частицами материи, и изменение поведения света проливает свет (извините за каламбур) на свойства частиц — хотя эти взаимодействия зачастую меняют и частицы. Процесс этого общения называется измерением.
Частицы даже соединяются между собой с помощью других частиц. Сила электромагнетизма между двумя электронами передается частицами материи и кварками, которые ютятся внутри протона, поскольку они обмениваются глюонами. Физика, по существу, изучает взаимодействия.
Информация всегда передается через взаимодействия, между частицами или с самой собой. Мы сами состоим из частиц, которые связываются между собой, и мы узнаем о своем окружении, взаимодействуя с ним. Чем лучше мы понимаем такое взаимодействие, тем лучше мы понимаем мир и самих себя.
Физики уже знают, что взаимодействия локальны. Как и городская политика, влияние частиц ограничивается их ближайшими окрестностями. Тем не менее, взаимодействия крайне сложно описывать. Физикам приходится относиться к частицам с уважением и добавлять сложные термины к их одинокому существованию, чтобы смоделировать взаимоотношения с другими частицами. Полученные уравнения невозможно разрешить. Поэтому физикам приходится лишь приблизительно оценивать одиночные частицы. И все же измерение взаимодействий атомных и субатомных частиц создало самую точную область физики из всех.
Квантовая механика представляет собой полноценную теорию частиц, описывая их измерения и взаимодействия. За последние несколько десятилетий, по мере того как компьютеры начали осваивать кванты, эта теория расширилась и охватила информацию также. Последствия квантовой механики для измерений и взаимодействий частиц чрезвычайно странные. Ее последствия для информации еще более странные.
Одно из самых странных последствий опровергает материальную основу коммуникации, а также здравый смысл. Некоторые физики считают, что мы можем быть в состоянии общаться без передачи частиц. В 2013 году физик-энтузиаст Хатим Салих даже разработал протокол, наряду с профессионалами, в котором информация получается из места, в которое частица никогда не путешествовала. Информация может быть бесплотной. Коммуникации, получается, могут быть не настолько физическими.
В прошлом апреле в Трудах Национальной академии появилась короткая статья на тему протокола Салиха. Большинство из представленных авторов работы были членами Университета науки и техники Китая в его филиалах в Шанхае и Хэфэй. Последним автором был Цзян-Вей Пан, выдающий физик, который разработал созвездие спутников связи при помощи квантовой механики. Недавно он использовал свою сеть для передачи запутанных частиц на расстояние в 1200 километров.
Пан и его коллеги выдают примерно по работе в месяц. Но документ, который они опубликовали в апреле, в соавторстве Юана Цао и Ю-Хуай Ли, был исключительным. Они описали эксперимент, в котором отправили черно-белое изображение китайского узла, не передав ни одной частицы.
Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств — даже если в них сомневается человек, утверждения которого были взяты за основу работы группы ученых, Лев Вайдман. Вайдман и другие пытались интерпретировать эти результаты лет десять. Возможно, мы неправильно понимаем квантовую теорию.
Физики изо всех сил пытаются расшифровать, что квантовая механика говорит о реальности и о материальном мире. Но эта теория только начинает говорить. Сейчас физики ставят под сомнение неопределенность, которая вытекает из квантовой теории, потому что даже очень слабые измерения раскрывают сведения, которые некогда считались тайными. На кону стоят самые понятия измерений и взаимодействий, а также основы информационных технологий будущего.
Источник (http://facte.ru)
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
19.11.2017, 23:18
https://www.youtube.com/watch?v=vvIaFkBru3s
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
14.11.2018, 12:07
https://theoryandpractice.ru/posts/8507-quantum-experiment
Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов
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
https://storage.theoryandpractice.ru/tnp/uploads/image_block/000/024/540/image/base_58c2bb1bca.jpg
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
https://storage.theoryandpractice.ru/tnp/uploads/image_block/000/024/539/image/base_8f0c36fa43.jpg
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
https://storage.theoryandpractice.ru/tnp/uploads/image_block/000/024/563/image/base_ea3f881e71.jpg
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 (http://www.nature.com/nature/journal/v427/n6976/abs/nature02276.html) 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
https://storage.theoryandpractice.ru/tnp/uploads/image_block/000/024/541/image/base_65d41adac2.jpg
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 (http://www.nature.com/nphys/journal/v2/n1/abs/nphys171.html) 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
https://storage.theoryandpractice.ru/tnp/uploads/image_block/000/024/564/image/base_bc01e62519.jpg
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 (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v97/i26/e260402), 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 иллюзорное порождение (http://theoryandpractice.ru/posts/8272-boltsmanovskiy-mozg) 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 термодинамики (http://theoryandpractice.ru/posts/8366-entropiya) 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 (http://www.springer.com/physics/quantum+physics/book/978-3-540-00390-8) 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.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
23.10.2019, 10:08
Квантовые чудеса
Мы живем в мире, полном загадок. И одну из непостижимых тайн квантового мира вы сможете увидеть прямо сейчас. Все, что вам для этого потребуется, это посмотреть в… окно.
В окне вы увидите улицу и… отражение комнаты. Ну и что с этого?
Для физиков остается загадкой формирование ОТРАЖЕНИЯ в стекле. Почему одни фотоны света пролетают стекло насквозь, и нас могут видеть через окно люди, а другие фотоны отражаются, и мы видим себя в отражении?
Физики не знают и не представляют, как узнать (непостижимая загадка мира), как фотон «принимает решение» отразиться или пролететь сквозь стекло. Единственное, что они знают, так это то, что где-то 4 % фотонов отражаются от стекла.
Но чудеса только начинаются!
«В действительности кусок стекла — это страшно сложное чудовище, в котором кишит огромное количество электронов…
Если частичное отражение от одной поверхности — это непостижимая загадка и трудная проблема, то частичное отражение от двух или более поверхностей совершенно ошеломляет…» (Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике).Представьте, что вы решили добавить вторую поверхность (использовать стеклянную пластину с передней и задней поверхностью). Что тогда произойдет с отражением? Казалось бы, что от передней поверхности отразится 4 % и от задней — 4 %, итого 8 % фотонов вернется к нам в виде отражения.
Куда там! Отражение в случае двух поверхностей плавает от 16 до 0 %.
Да, да… до нуля. Это означает, что если изменять толщину стекла, то отражение рано или поздно ИСЧЕЗНЕТ!!!
Вы что-нибудь из этого понимаете? Как свет узнает, что мы добавили еще одну поверхность? Почему «выключается» отражение или, наоборот, усиливается до 16 %? Загадка. Сам Ньютон не мог ее разрешить…
Разве это не круто, наблюдать чудеса квантового мира, просто смотря в окно или на свое отражение в воде?
О том, как бьются ведущие физики мира над вопросом отражения в стекле, вы можете узнать из книги нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана «КЭД — странная теория вещества».
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
23.10.2019, 10:10
Как появилось время? Квантовое объяснение простым языком
У науки есть привычка задавать глупые вопросы. Глупые, конечно, по меркам здравого смысла. Но снова и снова мы приходим к выводу, что здравый смысл-это плохое руководство к тому, что действительно происходит в мире.
Итак, если ваш ответ на вопрос: "Почему время всегда идет вперед, а не назад?" - разве это глупо-спрашивать?
Конечно, мы можем просто сказать, что будущее не влияет на прошлое, потому что этого еще не случилось. На самом деле нет, ибо вопрос о том, откуда взялась стрела времени, является более тонким и сложным, чем кажется.
Более того, это утверждение может даже быть ложью. Некоторые ученые и философы считают, что будущее действительно может повлиять на прошлое – хотя мы узнаем об этом только тогда, когда наступит будущее. И это может быть возможно благодаря эмерджентному свойству квантовой механики.
Во всех смыслах нам кажется, что время имеет направление.
Наш повседневный опыт утверждает, что все происходит только в одном направлении. Чашки кофе всегда становятся холоднее, а не теплее, когда их оставляют в комнате. Если ее сбросить на пол, то она разобьется на осколки и кофе разольется по полу, но осколки и брызги никогда спонтанно не соберутся в чашку кофе обратно.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpGymJKCmt-4n4HWAIg2lIxzXw_Bw0EN4BG9WVe0-73FFnkiAzwS3tdbGzFCQZ9pW1R5JLXdYGSEEMB7qthOUnKH5gF QghtYbJCD2B_J85Ve51POUcANHTgR5MFac-fyD0imsY-hF1AW10TontRB_woQvPoqnnigEpiXIXjOCdo_iqXCjBYDSb3RB 1pXi7fcmm-Sj5OGiNOw3OvD37Xu-MzKQ#DSD
http://welovewords.com/system/documents/covers/000/008/884/square/une-tasse-de-cafe-brisee-illustration_18893_w250_orig.jpg?1378312861Тем не менее, ни один из этих односторонних потоков времени не является очевидным, когда вы смотрите на фундаментальные законы физики, которые описывают, как атомы отскакивают друг от друга.
Эти законы движения не делают никакого различия относительно направления времени. Если бы вы посмотрели видео с двумя бильярдными шарами, сталкивающимися и отскакивающими, вы не смогли бы сказать, катится он вперед или же назад.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpCz2xGDHIh52k6MlMl3w8xkHxqUw1SMNIQ9TRahrj1RF Tk7mahTn5YPTmRDlwr9zpVsZKGc9aSTEQNsLQ9KUvHFqJrQQpt cdthAk9UMdhFYaN6Kl49EVDTdpUDRveH3D8qqtwSt3V4aUMMsV dwIOQuRsvviUbAkWtEaq7tIwh_8hmtGRFqKjTdcwtuXSD_V0Km fSNEKitz50qfFF7TrNI0FA#DSD
https://fastly.4sqi.net/img/general/600x600/357911_AH9arcWoJXktG0-L3TgT2I3Y3SUVkAYFY-PDtbwLUmA.jpgВ то же самое временная симметрия обнаруживается в уравнениях квантовой механики, которые управляют поведением крошечных вещей, таких как атомы. Так где же стрела времени входит в картину нашего мира?
На это есть давний ответ, который гласит, что Стрелка входит только тогда, когда вы начинаете думать о множестве частиц.
Процесс столкновения двух атомов выглядит совершенно обратимым. Но когда атомов много, их взаимодействие неизбежно приводит к увеличению случайности – просто потому, что это наиболее вероятно.
Скажем, у вас есть газовые молекулы азота в одной половине коробки и молекулы кислорода в другой, разделенные перегородкой. Если вы уберете перегородку, случайные движения молекул быстро смешают два газа полностью.
В законах физики нет ничего, что могло бы предотвратить обратное. Смесь этих двух газов могла самопроизвольно разделиться на кислород в одной половине ящика и азот в другой, просто случайно.
Но это никогда не произойдет на практике, потому что вероятность того, что все эти миллиарды молекул просто случайно переместятся в этом направлении, очень мала. Вам придется ждать дольше, чем возраст Вселенной, чтобы произошло спонтанное разделение.
Этот неумолимый рост случайности закреплен во втором законе термодинамики. Количество случайности измеряется величиной, называемой энтропией, и второй закон гласит, что в любом процессе общая энтропия Вселенной всегда увеличивается.
Конечно, мы можем уменьшить энтропию группы молекул, скажем, путем сортировки их друг от друга. Но выполнение этой работы неизбежно высвобождает тепло, которое создает больше беспорядка – больше энтропии где-то еще. От этого никуда не деться.
Однако энтропийная стрела времени становится менее четко определенной на меньших масштабах. Например, шансы трех молекул кислорода и двух молекул азота на короткое время "не смешаться" довольно велики.
Исследователи, изучающие отдельные молекулы, обнаружили доказательства того, что рост энтропии является хорошим показателем того, насколько далеко система была от обращения во времени.
Этот аргумент об энтропии, который был разработан в конце XIX века австрийским ученым Людвигом Больцманом, часто рассматривается как полный и удовлетворительный ответ на загадку стрелы времени.
Но оказывается, что Вселенная хранит и более глубокие тайны. Когда вы начинаете смотреть на очень маленькие вещи, аккуратная история Больцмана становится все более запутанной.
На картине Больцмана требуется некоторое время, чтобы стрелка времени нашла свое направление. За те крохотные доли секунды, которые прошли после удаления перегородки между двумя газами, прежде чем какая-либо из молекул действительно сдвинулась с места, ничто не показывает, в каком направлении движется время вперед.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpFymNHAm5-4n4HWAIg2lIxzXw_Bw0EN4BG9WVe0-73FFnkiAzwS3tdbG3KCVt_rG0N45LXdYKWERcNt65hOUnKH5gF QghtYbJCD2B_J85Ve51POUcANHTgR5MFac-fyD0imsY-hF1AW10TontRB_woQvPoqnnigEpiXIXjOCdo_iqXCjBYDSb3RB 1pXi7fcmm-Sj5OGiNOw3OvD37Xu-MzKQ#DSD
https://filed9-25.my.mail.ru/pic?url=https%3A%2F%2Fcontent-29.foto.my.mail.ru%2Fmail%2Fa.korneeva84%2F_musicp laylistcover%2Fi-1893.jpg&mw=&mh=&sig=82d0586ddaef5a0a8adb8c403f980026Энтропия возрастает, когда столкновения между атомами выравнивают их энергии, например, когда тепло горячего кофе распространяется в окружающий воздух. Этот процесс, который смывает накопленные запасы энергии, называется диссипацией.
До тех пор, пока диссипация не начнет происходить, процесс выглядит почти одинаково назад или вперед во времени. На самом деле у него нет термодинамической стрелки.
Но в квантовой механике существует односторонний процесс, который происходит гораздо быстрее. Это называется декогеренцией.
Возможно ли повернуть время назад? Квантовое объяснение простым языком. Часть 2
Если вы не читали первую часть статьи (https://zen.yandex.ru/media/id/5dad99d8a660d700ad15cb6b/kak-poiavilos-vremia-kvantovoe-obiasnenie-prostym-iazykom-5dad99dd1ee34f00ae0fd499?integration=morda_zen_lib&place=export), то настоятельно рекомендую ознакомиться с ней, чтобы у вас была полная картина происходящего в данной статье.
Мы говорили про то, что декогеренция - это односторонний процесс в квантовой механике. Декогеренция объясняет, почему объекты в повседневном масштабе кофейных чашек не показывают волнообразное поведение квантовых объектов.
На квантовом уровне частицы ведут себя так, как если бы они были волнами. Это имеет особые последствия.
Например , если вы выстрелите отдельные электроны или целые атомы через две близко расположенные щели в экране, они будут интерферировать друг с другом, как если бы они были волнами. Но этого не происходит с объектами обычного размера. Если вы бросаете две кофейные чашки через два открытых окна, они не мешают друг другу.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpCzW1DDG5-4n4HWAIg2lMxl309V1hXYdVG9WVdhu-oFAzl1QzwS3tcbGrHDQ96ozkFtJLXdtbDHRYJs6phOUnKH5gFQ ghtYbJCD2B_J85Ve51POUcANHTgR5MFac-fyD0imsY-hF1AW10TontRB_woQvPoqnnigEpiXIXjOCdo_iqXCjBYDSb3RB 1pXi7fcmm-Sj5OGiNOw3OvD37Xu-MzKQ#DSD
Атомы проникают через две щели в экране и интерферируют.
Это происходит потому, что квантовые частицы могут быть скоординированы в их квантовой волнистости, но, если их много как бесчисленных атомов в кофейной чашке – они быстро теряют любую координацию. Это означает, что объект, который они образуют, не может проявлять квантовое поведение.
Декогерентность происходит из-за взаимодействий между объектами и окружающей их средой. Например, при воздействии молекул воздуха на чашку. Квантовая теория показывает, что эти взаимодействия быстро вызывают "утечку квантумности" большого объекта в его окружающую среду.
Это означает, что объект приобретает уникальные характеристики. Квантовая теория говорит нам, что объекты могут проявлять одно из многих возможных свойств, когда они измеряются, но в нашем повседневном мире объекты имеют только одно четко определенное положение, скорость и т. д. Декогерентность считается так, как этот "выбор " осуществляется.
Квантовая декогеренция невероятно быстра, потому что взаимодействия между частицами чрезвычайно эффективны для рассеивания квантовой когерентности.
Для пылинки диаметром в одну тысячную сантиметра, летающей в воздухе, столкновения других молекул воздуха разрушат любое квантовое поведение примерно за 0,000000000000000000000000001 секунды. Это триллионная часть времени, которое требуется свету, чтобы пересечь поверхность одного атома водорода.
Это намного быстрее, чем время, которое требуется для того, чтобы тепло в пылинке перераспределилось в окружающую среду. Другими словами, декогерентность быстрее диссипации, и она работает только в одном направлении. Это означает, что декогеренция обнаруживает стрелку времени быстрее, чем рассеивание.
Это означает, что стрела времени действительно исходит из квантовой механики, а не из термодинамики, как думал Больцман.
В каком-то смысле так и должно быть, потому что все состоит из атомов, а квантовая механика-это правильная теория, которую можно использовать для атомов.
"Термодинамическая стрела времени должна исходить из квантовой", - говорит Джордж Эллис из Университета Кейптауна в Южной Африке.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpEymNECGt-4n4HWAIg2lMxl309V1hXYdVG9WVdhu-oFAzl1QzwS3tcbGSWXA179j4AuZLXdYOWHRMM4f5hOUnKH5gFQ ghtYbJCD2B_J85Ve51POUcANHTgR5MFac-fyD0imsY-hF1AW10TontRB_woQvPoqnnigEpiXIXjOCdo_iqXCjBYDSb3RB 1pXi7fcmm-Sj5OGiNOw3OvD37Xu-MzKQ#DSD
https://alchetron.com/cdn/george-f-r-ellis-13b68215-3602-4817-9273-d2abd5a66cc-resize-750.jpg
И все же в конечном счете квантовое и термодинамическое объяснения сводятся к одному и тому же: скремблированию информации.
Нетрудно заметить, что смешивание двух типов молекул газа - это своего рода скремблирование, разрушение упорядоченности.
Но декогеренция также включает в себя скремблирование координации между "волнами", которые описывают квантовые объекты. По сути, декогерентность возникает из того, как взаимодействие с атомами, фотонами и т. д. В окружающей среде объекта уносит информацию об объекте и рассеивает ее вокруг. Это, по сути, квантовая версия энтропии.
Таким образом, как в классическом, так и в квантовом случаях стрела времени возникает из-за потери информации.
Это предлагает лучший способ думать о стреле времени. Он указывает направление, в котором информация теряется и никогда не может быть восстановлена.
Процесс по-настоящему необратим только тогда, когда информация об изменении теряется, так что вы не можете отследить свои шаги. Если бы вы могли отслеживать движение каждой отдельной частицы, то в принципе вы могли бы повернуть его вспять и вернуться точно туда, откуда вы начали. Но как только вы потеряете часть этой информации, возврата уже не будет.
"Потеря информации - это ключевой аспект". В макроскопическом масштабе это создает второй закон.
До сих пор не совсем ясно, когда в квантовом мире информация действительно теряется.
https://zen.yandex.ru/lz5XeGt8f/j1H5gI443/8a67ccAB/VwxFP_ehDXqPAEDK_CfahLaRd0PJ1dWjC6NlH1jYByx95SRFeJ _yEpBZpEzWNBCGh-4n4HWAIg2lMxl309V1hXYdVG9WVdhu-oFAzl1QzwS3tcbGWRXVt88mgD4JLXdteWTRYPtP9hOUnKH5gFQ ghtYbJCD2B_J85Ve51POUcANHTgR5MFac-fyD0imsY-hF1AW10TontRB_woQvPoqnnigEpiXIXjOCdo_iqXCjBYDSb3RB 1pXi7fcmm-Sj5OGiNOw3OvD37Xu-MzKQ#DSD
https://монада.рф/sites/default/files/New/Article7/07.pnghttps://alchetron.com/cdn/george-f-r-ellis-13b68215-3602-4817-9273-d2abd5a66cc-resize-750.jpgНекоторые исследователи считают, что одной декогеренции достаточно. Но другие говорят, что информация, хотя размазанная и рассеянная, в окружающей среде, все же восстанавливается. Они полагают, что происходит дополнительный, довольно таинственный процесс, называемый "коллапс волновой функции", в котором квантовая волнистость необратимо теряется. Только тогда, говорили, что стрела времени однозначно указывает в одном направлении.
https://zen.yandex.ru/media/id/5dad99d8a660d700ad15cb6b/vozmojno-li-povernut-vremia-nazad-kvantovoe-obiasnenie-prostym-iazykom-chast-2-5dae9cefa06eaf00b019da8d
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
24.10.2019, 10:42
https://nplus1.ru/blog/2019/09/24/quantum-physics?utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
26.10.2019, 13:38
https://yandex.ru/turbo?text=https%3A%2F%2Fnplus1.ru%2Fnews%2F2019%2 F10%2F25%2Fentropy-compression&promo=navbar&utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
28.01.2021, 10:08
Парадоксальная реальность квантовой механики
Существуют ли скрытые параметры и что такое квантовый ластик
https://postnauka.ru/files/images/7/7/6/2/7/0/0/0/0/0/thumb/h2ItCvUtc_AESwJBmGLUKr8DhgqsytXi.jpg
Михаил Коробко (https://postnauka.ru/themes/korobko)
https://postnauka.ru/files/images/7/7/9/0/1/0/0/0/0/0/thumb/jJBbeRvopocxuLn1r2ObHqDwIZ1aqCXp.jpg
Коллекция
Квантовая механика (https://postnauka.ru/guides/156078)
Сохранить гид (https://postnauka.ru/longreads/156114)
Контринтуитивность квантовой механики породила множество споров между учеными (вспомним каноничное противостояние Эйнштейна и Бора) и теорий, призванных доказать несостоятельность этой теории. Однако развитие технологий в XX–XXI веках позволило ученым проводить более сложные физические эксперименты, которые раз за разом доказывают, что парадоксальные положения квантовой механики подтверждаются. Вместе с физиком Михаилом Коробко разбираемся, что это значит.
Это материал из гида «Квантовая механика (https://postnauka.ru/guides/156078)». Партнер гида — Академия (https://rosatom-academy.ru/)Росатома.
Квантовая физика — самая успешная физическая теория, созданная человечеством. Вся современная цивилизация пользуется технологиями, невозможными без квантовых эффектов: флеш-память в компьютере, лазеры и фотодиоды, транзисторы, МРТ и электронные микроскопы. Квантовая криптография защищает передачу сообщений, а квантовые компьютеры откроют принципиальные новые возможности в вычислениях. Квантовые эффекты применяются в фундаментальной науке: гравитационно-волновые детекторы используют квантовый свет (https://physics.aps.org/articles/v12/139) для наблюдения гравитационных волн от слияния черных дыр, коллайдеры ищут новые частицы, используя сверхпроводящие магниты, а детекторы темной материи повышают чувствительность при помощи квантовых корреляций (https://arxiv.org/abs/2008.01853).
Несмотря на это, квантовая физика полна парадоксов и явлений, которые не поддаются простому интуитивному объяснению — настолько, что даже сами основатели квантовой теории сомневались в ее справедливости: Шрёдингер придумал эксперимент с котом, чтобы продемонстрировать абсурдность предсказаний теории, а Эйнштейн до конца жизни предлагал мысленные эксперименты, демонстрирующие неполноту квантовой теории. Хотя вопрос о том, как интерпретировать квантовую теорию, еще не закрыт, в последние десятилетия было проведено множество экспериментов, позволивших подтвердить парадоксальную реальность квантовой физики.
ЭПР-парадокс
Одним из центральных аргументов против квантовой теории, а точнее, ее полноты был сформулирован Эйнштейном, Подольским и Розеном (ЭПР) в 1935 году. Они предложили мысленный эксперимент, который, как им казалось, нарушал сами основы квантовой механики. Однако впоследствии оказалось, что этот эксперимент не просто находился в согласии с теорией, но и подчеркивал ее главную необычную особенность — квантовую запутанность.
Прежде чем перейти к формулировке парадокса, важно понять, как в квантовой теории связаны состояние системы и измерения над ней.
Состояние системы в квантовой физике описывается волновой функцией, которая подчиняется общему закону эволюции во времени — уравнению Шрёдингера. Ученые до сих пор спорят, является ли волновая функция физическим объектом или только мерой нашего знания о системе и удобным инструментом для ее описания, в то время как физическая реальность имеет совершенно иное описание. Изучению этого посвящены разные интерпретации квантовой механики. Мы будем придерживаться агностического взгляда на интерпретации: следовать математическому описанию и избегать утверждений, нуждающихся в интерпретации. В любой интерпретации волновая функция характеризует вероятность измерить систему в том или ином состоянии. Например, волновая функция свободной частицы оказывается нормальным распределением вокруг некоторой координаты х c отклонением ∆x. Это значит, что если мы приготовим большое количество идентичных частиц в таком состоянии и измерим их координату, в среднем мы получим значение x. При этом ∆x будет неопределенностью координаты. Аналогичным образом можно задать и неопределенность импульса ∆p. Между неопределенностями координаты и импульса существует связь: их произведение не может превышать определенную постоянную величину ∆x∆p >= ħ/2. Это соотношение неопределенностей Гейзенберга оказывается фундаментально важным для квантовой теории. Оно утверждает, что невозможно одновременно измерить точно координату и импульс частицы: измеряя одну величину с большей точностью, мы обязательно воздействуем на другую так, что неопределенность в ней увеличивается. Чем точнее мы измеряем координату, тем сильнее воздействуем на частицу и тем больше оказывается неопределенность импульса.
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/0/5/0/0/0/0/0/tXG3J4_PKVEdXH74D-kDQL2uctJdTB7R.png
На картинке слева изображена трехмерная функция (Вигнера), характеризующая вероятность измерить частицу с определенными координатой и импульсом. Эта функция напрямую связана с волновой функцией, которая описывает состояние частицы. Проекции функции Вигнера на плоскости задают распределения вероятностей для координаты и импульса. Ширина этих распределений называется неопределенностью. На картинке справа изображен вид на функцию вигнера сверху (точнее, ее срез). Такое представление позволяет удобно отмечать, какие значения координаты и импульса были получены при измерении и как они соотносятся с неопределенностью.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
28.01.2021, 10:10
Итак, в нашем мысленном эксперименте со свободной частицей ее начальное состояние описывается волновой функцией в двух измерениях — координатном и импульсном, а характерный размер волновой функции задан их неопределенностью ∆x_0 и ∆p_0, которые связаны соотношением неопределенности ∆x_0 ∆p_0 = ħ/2. Допустим, мы произвели измерение координаты и узнали ее с большей точностью: ∆x_1 < ∆x_0. Измерительный прибор подействовал на частицу, и неопределенность ее импульса выросла так, чтобы соблюсти соотношение неопределенности: ∆p_1 > ∆p_0, ∆x_1 ∆p_1 = ħ/2. То есть волновая функция, описывающая состояние частицы, изменилась под действием измерения. В предельном случае мы можем узнать координату частицы точно, но тогда ее импульс окажется полностью неопределен (то есть при измерении импульс примет произвольное значение).
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/0/6/0/0/0/0/0/R6hLdQDHgzFYi5HgJ0zmYXygjqAeEjtO.png
Одна частица распадается на две одинаковые частицы, которые разлетаются в противоположные стороны. По закону сохранения импульса, они обладают равным по величине и противоположным по направлению импульсом. Так как их скорости равны по закону сохранения энергии, они пролетят одинаковое расстояние х за данный промежуток времени.
Парадокс ЭПР основан как раз на этом свойстве измерения квантовой системы. В мысленном эксперименте ЭПР одна частица распадается на две одинаковые частицы, которые по законам сохранения импульса и энергии должны обладать одинаковым по величине импульсом и разлетаться в противоположные стороны. Это значит, что, точно измерив положение первой частицы, мы можем абсолютно точно узнать положение второй частицы, так как они симметрично разлетелись в две стороны. При этом на вторую частицу не оказывается никакого воздействия. Поэтому мы можем измерить импульс второй частицы и рассчитать импульс первой, таким образом узнав и координату, и импульс обеих частиц, нарушая соотношение неопределенностей. Поэтому, рассуждали Эйнштейн, Подольский и Розен, либо нарушается соотношение неопределенностей — основа основ квантовой теории, — либо приходится допустить возможность мгновенного взаимодействия между двумя частицами ради сохранения соотношения неопределенностей. Другими словами, в парадоксе ЭПР мы измеряем одну частицу и точно знаем параметры второй частицы до того, как над ней производится измерение.
На тот момент в физике господствовала теория локального реализма, утверждавшая, что: 1) параметры физических систем, такие как импульс или координата, являются объективными и могут быть измерены (реализм) и 2) физические системы могут взаимодействовать только локально, то есть физическая система не может изменить реальное состояние из-за измерений, произведенных на удалении (локальность). Локальность подразумевает, что любые взаимодействия между системами могут происходить только с помощью некоторого переносчика взаимодействия, распространяющегося со скоростью света.
Парадокс ЭПР нарушал принцип локального реализма: либо квантовая теория не полностью описывает физическую реальность, либо нарушается локальность — и ограничение на максимальную скорость распространения взаимодействия. Нарушение локальности шло вразрез с теорией относительности, поэтому Эйнштейн, Подольский и Розен заключили, что квантовая теория неполна.
Скрытые переменные
Чтобы дополнить квантовую теорию, необходимо было ввести дополнительные параметры — скрытые переменные, которые полностью определяли бы результаты измерений, но при этом они сами были бы недоступны для наблюдений. Со скрытыми переменными результат измерений в эксперименте ЭПР задавался бы в момент разделения частиц и был бы просто недоступен нам до момента измерений. Другими словами, частицы обладают определенным состоянием, просто оно нам еще не известно.
Удивительным оказалось доказательство того, что скрытые переменные — точнее, их локальный вариант — не могут существовать. Разберем простой пример доказательства, названный экспериментом GHZ (по именам авторов — физиков Гринбергера, Хорна и Цайлингера). Рассмотрим систему из трех частиц — А, Б, В, у которых могут быть измерены параметры Х и Y. Каждое измерение возвращает результат +1 или -1. Частицы приготовлены в таком состоянии, что: (1) если у всех трех частиц измерен параметр Х, то произведение трех результатов измерений всегда равно -1; (2) если у любых двух частиц измерен параметр Y, а у третьей — X, то произведение трех результатов измерений равно +1. Если теория скрытых переменных верна, то результаты измерений заданы заранее — частицы уже обладают определенным значением параметра, просто мы еще не знаем об этом. В таком случае предположим, что мы измеряем разные комбинации частиц и записываем результаты в таблицу:
https://lh3.googleusercontent.com/_fuc21Tec5RW-OBqSst2s0p651RrikkD6Wv8Uo_NSSZSNFLqnZpLYwi1PwvTZoY Zy9tj1rNV3lbvv1bsm4DD-GQ3yfMH3VLequMVglroKosw3MUt8mphO_WxefK3ej9q_bHJf5H S
Заметим, что условие (2) накладывает определенные ограничения на возможные значения измерений: если XA=1, то YБYВ=1, а если XA=-1, то YБYВ=-1 (аналогично для других результатов измерений). То есть XA=YБYВ, XБ=YАYВ, ХВ=YАYБ. Тогда мы можем расписать произведение всех измерений X через Y: XAXБXВ=YБYВYАYВYАYБ=(YА)2(YБ)2(YВ)2=1. Но по условию (1) XAXБXВ=-1 мы получили противоречие. При этом во всем рассуждении единственным предположением было то, что частицы обладают определенным значением параметров до измерения.В нашем простом мысленном эксперименте мы смогли опровергнуть это предположение и вместе с ним наличие локальных скрытых переменных. Разумеется, этот эксперимент был проведен в лабораториях (https://www.nature.com/articles/35000514) и полностью подтвердил предсказание мысленного эксперимента. Локальные скрытые переменные не существуют в нашем мире. А это значит, что нам приходится распрощаться с локальным реализмом.
Исторически скрытые переменные были исключены экспериментальной проверкой неравенств Белла. Эти неравенства основаны на статистическом исследовании корреляций между измерениями разных комбинаций параметров в эксперименте ЭПР (в нашем примере выше — координаты и импульсы). Чтобы лучше понять суть аргумента Белла, давайте вместо квантовых частиц рассмотрим мысленный эксперимент с двумя людьми. Допустим, у нас есть два человека, мы задаем им один из трех вопросов, на который может быть ответ «да» или «нет». Мы заранее им говорим, какие могут быть вопросы, а затем развозим далеко друг от друга. Там мы задаем им вопросы и сверяем их ответы. Когда мы задаем им одинаковые вопросы, мы замечаем, что они всегда дают одинаковые ответы. Как они умудряются провернуть такой фокус? Есть две возможности: либо они заранее договорились, как отвечать на каждый вопрос, либо они как-то могут телепатически общаться друг с другом на любом расстоянии, чтобы ответы на один вопрос у них совпадали. Как вы может заметить, этот эксперимент как раз аналогичен парадоксу ЭПР, где у частиц оказывались «согласованы» измерения координаты или импульса. Завершая аналогию: вариант с телепатией — это нелокальность в парадоксе ЭПР, а предварительная договоренность — локальные скрытые переменные. Однако в таком варианте эксперимента мы не можем определиться с тем, договорились ли люди заранее.
Чтобы разобраться с этим, усложним задачу: мы будем задавать случайный вопрос из трех (необязательно один и тот же для двоих), повторим эксперимент множество раз и посмотрим, какова будет статистика совпадения ответов в двух случаях. Если люди договариваются отвечать одинаково на определенные вопросы (при каждом повторе эксперимента случайным образом), все возможные комбинации их договоренности можно перечислить:
https://lh5.googleusercontent.com/-3m1NI9HcEiraz5jueQ4jFkGZfNXrcTFxkkrj8rm3jftlw7aBIQ Tcbwnt0ONbWzfTz9i9izmOjaoiGiBqW0HUbld1dj7svugEOnt1 XamqH_tavG6JyPJD3vqxhXi1lHm5FT9ilCs
Вопрос задается случайным образом, и в ⅓ случаев вопросы для обоих людей будут совпадать, а значит, и их ответы тоже. В оставшихся ⅔ случаев вопросы совпадать не будут. Теперь предположим, что договоренность включает в себя одинаковый ответ на два из трех вопросов (то есть первые шесть случаев из таблицы выше). В таком случае ответы на разные вопросы будут совпадать в ⅓ случаев, как видно из таблички. Итого при повторении эксперимента множество раз мы получим одинаковые ответы в ⅓ + ⅔ * ⅓ = 55,55% случаев. Осталось два случая, когда у них все три ответа совпадают, что только повысит общую вероятность совпадения ответов. Так что можно сформулировать «неравенство»: если два человека заранее договариваются об ответах, вероятность совпадения ответов при случайных вопросах составляет не меньше 55,55%.
Чем же отличается случай, когда они могут «общаться» телепатически? У них нет заранее условленных ответов, поэтому, если вопросы совпадают, они всегда отвечают одинаково. Если вопросы различаются, для определенным образом подобранных вопросов оказывается, что ответы на разные вопросы совпадают в 25% случаев. Итого при «телепатии» мы получаем одинаковые ответы в ⅓ + ⅔ * ¼ = 50% случаев. Случай телепатии нарушает наше неравенство, сформулированное ранее. То есть если мы проведем эксперимент и покажем, что ответы совпадают в 50% случаев (или даже просто реже, чем в 55,55%), то мы докажем, что игроки не могли договориться заранее. Мы с вами только что построили неравенства, аналогичные неравенствам Белла в квантовой физике, которые были созданы для опровержения существования локальных скрытых переменных. Мы использовали их, чтобы доказать, что два человека не могли договориться заранее, что было бы аналогично использованию локальных скрытых переменных. Эксперименты по проверке нарушения неравенств Белла были проведены множество раз, и их результаты однозначно показали, что локальных скрытых переменных не существует.
Итак, парадокс ЭПР разрешился, но совсем непривычным для нас образом: нам приходится выкинуть одно из предположений, сделанных ЭПР. На самом деле кроме упомянутых локальности и реализма мы сделали еще два скрытых предположения: 1) изначально измерительный прибор статистически независим от системы частиц; 2) результат измерений случаен, задан вероятностным распределением волновой функции, и реализуется только один из возможных вариантов. В зависимости от того, какое из предположений ЭПР мы устраняем, мы приходим к одной из разных интерпретаций квантовой механики. Если мы избавляемся от реализма, нам приходится признать, что волновая функция не описывает реальный мир, а является просто удобным инструментом для объяснения результатов экспериментов — такой точки зрения придерживается Копенгагенская интерпретация и другие, например QBism. Если мы согласны пожертвовать локальностью, нам подойдет интерпретация с нелокальными скрытыми переменными (неравенства Белла и эксперимент GHZ их не исключают), например теория Бома. Если предположить, что статистическая независимость измерений ошибочна, мы обращаемся к теориям супердетерминизма. Наконец, если предположить, что при измерении реализуются все возможные варианты, заданные волновой функцией, то мы приходим к многомировой интерпретации. На настоящий момент у ученых нет однозначного ответа на вопрос о том, какая интерпретация верна. Но мы точно знаем, что квантовая реальность сильно отличается от того, что нам подсказывает наш ежедневный опыт.
Квантовая запутанность и квантовый ластик
Но давайте вернемся к парадоксу ЭПР. Мы выяснили, что парадокса никакого нет, а есть только странная непривычная логика квантовой физики. Настало время разобраться, что же именно происходит с двумя частицами и как получается, что соотношение неопределенностей нарушается.
Квантовая механика объясняет парадокс ЭПР, вводя понятие квантовой запутанности.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
28.01.2021, 10:10
Запутанность означает, что свойства частиц невозможно отделить друг от друга. Запутанные частицы не имеет смысла рассматривать по отдельности: это единый квантово-механический объект, который описывается одной волновой функцией. Эта волновая функция принципиально нелокальна — запутанность не зависит от расстояния между частицами. Соответственно, измерение одной частицы воздействует сразу на всю волновую функцию, и она мгновенно меняется целиком. Это значит, что при измерении положения одной частицы вторая моментально принимает соответствующее значение положения. Но если мы вспомним рассуждение из прошлой части, мы увидим, что частицы не обладали определенным положением до измерения, поэтому обычная логика рассуждений о динамике одиночных частиц тут неприменима. Эйнштейн называл квантовую запутанность «мистическим дальнодействием», но она не нарушает принципы теории относительности, так как никакие взаимодействия при этом не распространяются.
Но даже квантовая запутанность не позволяет нарушить принцип неопределенности. Так почему же мы можем измерить и координату, и импульс частиц одновременно с абсолютной точностью? Дело в том, что мы измеряем эти величины относительно друг друга. Мы знаем точно положение и импульс одной частицы относительно другой. Принцип неопределенности распространяется только на измерения относительно классической системы отсчета, то есть на абсолютные измерения, а не на измерения относительно квантовой системы, которая может быть запутана.
Самым важным в понимании квантовой запутанности является следующий момент. При измерении одной частицы из запутанной пары мы всегда получаем случайный вариант из распределения вероятности. При многократном повторении эксперимента мы получим нормальное распределение. Наблюдая за статистикой, мы не можем сказать, является ли частица запутанной с другой частицей. Запутанность можно выявить, только измерив обе частицы и сравнив результаты измерений. Тогда мы увидим, что на самом деле каждый раз, когда мы измеряли координату у первой, мы получали соответствующий результат и у второй частицы, то есть результаты измерений скоррелированы.
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/5/6/0/0/0/0/0/Nv-LejQ3lKcYte9x6bPGWlMeXAYfV-pN.png
На картинке изображен эксперимент ЭПР, где при распаде частицы возникает запутанная пара частиц. Каждая из них может быть измерена. Если проводить эксперимент множество раз, для двух частиц независимо мы получим случайное распредление, неопределенность которого показана окружностью снизу. Однако, если мы выберем один конкретный эксперимент (помечен крестиком или кружком) и сравним результаты измерений двух частиц, мы увидим, что они коррелируют: координата и импульс окажутся равными по величине, и мы сможем точно измерить расстояние между частицами и их суммарный импульс. В этом нет противоречия с соотношением неопределенности.
Важное следствие этого заключается в том, что если нам недоступна для измерения вторая частица, первая оказывается в «классическом», тепловом состоянии. Именно этот процесс, когда квантовая система запутывается с другими квантовыми системами, недоступными нам для наблюдения, называется декогеренцией. Частица в таком «классическом» состоянии не будет проявлять характерных квантовых свойств. Декогеренция происходит всегда и с любым квантовым состоянием, так как любое взаимодействие с окружением, например с космическими лучами или тепловым излучением, приводит к запутыванию системы с окружением. Декогеренция оказывается главным препятствием на пути к квантовым компьютерам.
Это понимание позволяет нам рассмотреть еще один парадоксальный эксперимент, носящий название квантового ластика.
Начнем с того, что пошлем фотон на делитель луча и поставим два детектора на обоих выходах. После делителя луча фотон находится в состоянии суперпозиции, и в половине случаев мы его измерим в состоянии «вверх», в половине — «вниз». Волновая функция такого состояния выглядит так:
|Psi> = 1/√2 |вверх> + 1/√2 |вниз>
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/5/5/0/0/0/0/0/s-2Sn1H27e6wVCKwwnQSpHdyUEyBLUlY.png
Фотон попадает на делитель луча и переходит в состояние суперпозиции состояний “вверх” и “вниз”. В результате в половине случае он будет измерен на нижнем детекторе, а в половине - на верхнем.
Теперь добавим второй делитель луча так, чтобы две части волновой функции фотона проинтерферировали друг с другом. Эта интерференция будет зависеть от разности фаз в плечах, которую можно сделать такой, что фотон попадет на один детектор в 100% случаев. Волновая функция после второго делителя луча окажется такой:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>)+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) = |детектор вверх>
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/5/7/0/0/0/0/0/x4Uj-s-53guBKuLUiuGkWjaj_dOZJK3o.png
Если добавить второй делитель луча, фотон в состоянии суперпозиции после первого делителя луча проинтерферирует сам с собой. В зависимости от разницы в длине верхнего и нижнего путей, после второго делителя луча детекторы могут регистрировать разную пропорцию событий. Например, даже 100% к 0%.
Это состояние суперпозиции внутри интерферометра также подвержено декогеренции. Например, если эксперимент поставлен не очень аккуратно, излучение от окружения может провзаимодействовать с фотоном и разрушить квантовую суперпозицию. Интерференция на втором делителе луча пропадет, а мы снова будем наблюдать фотоны на детекторах поровну. Декогеренция может быть введена и искусственно: если мы добавим детектор фотонов между делителями луча, мы разрушим состояние суперпозиции и также не получим интерференции на втором делителе. Для этого нам понадобится запутать частицу с прибором, измеряющим прохождение по конкретному пути.
Но мы можем поступить хитрее: использовать квантовую систему для регистрации прохождения по конкретному пути. Например, поместим кубит в один из путей. Если фотон пройдет по этому пути, кубит примет значение |1>, а в противном случае останется в значении |0>. Тогда волновая функция такого запутанного состояния будет выглядеть так:
|Psi> = 1/√2 |вверх>|1> + 1/√2 |вниз>|0>
Разумеется, после второго делителя луча интерференции уже не случится, так как фотон остался запутанным с кубитом:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>)|1>+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) |0>
https://postnauka.ru/files/images/7/7/8/5/8/0/0/0/0/0/us97XxV72FlfACixEADMqfYf8sWuNU8A.png
Наблюдение фотона нарушает суперпозицию. Если мы поместим кубит в один из путей, мы разрушим состояние суперпозиции, запутав кубит с фотоном. На делителе луча мы снова будем наблюдать распределение 50 на 50, никакой интерференции. Состояние кубита может быть измерено независимо.
Если мы измерим кубит в состоянии |1> (или |0>), мы увидим, что фотоны снова достигают обоих детекторов равновероятно. Но такое измерение в определенном смысле будет классическим: мы пока не воспользовались тем фактом, что кубит — квантовая система. С тем же успехом мы могли поставить неразрушающий детектор фотонов. Кубит же позволяет стереть информацию о пути, по которому прошел фотон.
Для этого перед измерением кубита мы переведем его в состояние суперпозиции |1> -> 1/√2 |1> — 1/√2 |0>, |0>-> 1/√2 |1> + 1/√2 |0> и только потом измерим. На первый взгляд это ничего не меняет. Мы так же при измерении в половине случаев получим кубит в состоянии 0, а в половине — в состоянии 1. Однако посмотрим на волновую функцию до измерения:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>) (1/√2 |1> — 1/√2 |0>)+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) (1/√2 |1> + 1/√2 |0>) = 1/√2 |детектор вверх>|1> — 1/√2 |детектор вниз>|0>
Мы видим, что она изменилась, и теперь не обладаем информацией о том, по какому пути прошел фотон: теперь измерение состояния кубита 1 или 0 не позволяет нам сделать никакого вывода о пути фотона. Распределение событий на детекторах по-прежнему остается 50/50. Но теперь мы можем соотнести однозначно результат измерения кубита и измерения фотона. Если мы выберем только случаи, когда мы измерили состояние кубита 1, верхний детектор зарегистрировал фотон в 100% таких случаев. Получается, что, выбрав другой способ измерения кубита, мы стерли наше знание о пути, который проходит фотон. Не правда ли, напоминает о парадоксе ЭПР? Если у нас нет доступа к измерению кубита, мы никогда не получим распределение, отличное от классического случая. Как только мы получаем доступ к запутанной части системы, измерения окажутся полностью коррелированы, как в случае с двумя частицами в ЭПР-парадоксе.
Мы можем даже отложить выбор измерения кубита. Например, использовать квантовую память и сохранить кубит на долгие годы после окончаний измерения. После этого выбрать способ измерения кубита, и мы можем либо получить информацию о пути, либо стереть ее, получив доступ к результату. Такой квантовый ластик с отложенным выбором часто оказывается в центре популярных дискуссий о причинности и прочих мнимых парадоксах квантовой механики. Однако, как мы увидели на простом примере, в нем нет ничего парадоксального, и он сводится к главному свойству квантовой запутанности.
За вторую половину XX века квантовая механика превратилась в инструмент, двигающий цивилизацию вперед. Но также она обросла многими парадоксальными и необычными следствиями. Однако, несмотря на разницу в 50 лет, парадокс квантового ластика оказался по сути тем же парадоксом, что обсуждали Эйнштейн, Подольский и Розен. И он разрешается тем же способом — правильным учетом квантовых корреляций в квантовой запутанности. И хотя эти парадоксы не нарушают принципов квантовой теории, они требуют от нас избавления от привычных интуитивных представлений о квантовой теории. Каким образом мы совершим это: приняв возможность многих миров или отказавшись от реализма волновой функции, — пока неизвестно. Но прорывы в создании квантовых компьютеров и квантовых коммуникаций закладывают основу к более глубокому исследованию парадоксальной реальности квантового мира.
https://www.youtube.com/watch?v=GUlQxOkIb44&feature=emb_logo
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
31.01.2021, 14:54
https://postnauka.ru/longreads/156065
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
24.02.2021, 14:58
Любой, кого не шокирует квантовая теория, просто не понимает её
20 февраля
9,1 тыс. дочитываний
3 мин.
Нильс Бор сказал: «Любой, кого не шокирует квантовая теория, не понимает её». Что же так шокирует в квантовой теории?
Квантовая теория постоянно «переписывает» всё, что, как мы думаем, мы знаем о реальности и Вселенной. Вот несколько примеров того, что делает квантовую реальность такой поразительной.
Тепло может передаваться через вакуум.
«Тепло» от Солнца, как мы его знаем здесь, на Земле, является побочным продуктом излучения Солнца, которое затем передаёт свою энергию атмосфере Земли. Долгое время учёные считали, что тепло, которое мы ощущаем здесь, на Земле, не может проходить через вакуум. Но эксперимент показал, что это не так.
В одном эксперименте 2019 года физики воспользовались тем фактом, что в квантовом масштабе вакуум на самом деле не пуст. Исследователи обнаружили, что в достаточно малых масштабах тепло может преодолевать вакуум, «перепрыгивая» от одного колебания к другому через кажущееся пустое пространство. Этот эксперимент опровергнул мнение о том, что тепло может передаваться от звезды к планетам только в форме излучения.
Суперпозиция.
Одно из явлений, наблюдаемых в квантовом масштабе, называется суперпозицией. Когда одна частица (обычно электрон) может существовать в нескольких местах одновременно.
Это само по себе уже показывает шокирующую реальность квантовой физики. Но снова в 2019 году был проведён некий эксперимент с олиготетрафенилпорфирином, обогащённым фторалкилсульфанильными цепями.
То, что, по мнению большинства ученых, ограничивалось субатомным масштабом, удалось применить в гораздо большем масштабе. Учёные достигли квантовой суперпозиции молекулы, которая состоит из 2000 атомов.
Причина и следствие могут иногда работать в обратном направлении.
Большинство учёных скажут вам, что реальность, как мы её знаем, работает по простому принципу причины и следствия. И что она никогда не может работать в обратном направлении, когда следствие предшествует причине.
И хотя это ещё не доказано, некоторые учёные представили данные, свидетельствующие о том, что иногда результат действительно может определять причину. Исследователи, работающие с квантовой гравитацией — теоретической конструкцией, разработанной для объединения миров квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна — показали, что при определенных обстоятельствах событие может вызвать эффект, который произошёл раньше.
Поместите очень тяжелый объект (например, большую планету) в состояние квантовой суперпозиции, и вы сможете разработать необычные сценарии, в которых причина и следствие имеют место в неправильном порядке.
Это как если бы кто-то ответил на вопрос ещё до того, как вы его задали. Или вы пострадали в результате несчастного случая, которого пока не произошло.
Квантовую запутанность можно увидеть.
Это изображение из Университета Глазго.
https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/4569048/pub_6028c391c219c97e32e71e71_6028c6bab498705a81f39 e74/scale_1200
То, что Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», было сфотографировано. Квантовая запутанность — это особенность квантового мира, которая давно проверена экспериментально.
На две запутанные частицы, даже если они разделены большим расстоянием, можно повлиять, воздействуя только на одну из этих частиц.
Квантовый компьютер повернул время вспять.
Большинство учёных скажут вам, что время движется только в одном направлении — вперёд. Представьте себе, что вы бросили бутылку на землю, и когда она разбилась, кусочки просто не разлетаются. Научное описание этой ситуации состоит в том, что квантовая волновая функция не распространяется.
Используя двухкубитный квантовый компьютер, физики смогли написать алгоритм, который мог возвращать каждую рябь волны частице, создавшей её. «Разматывая» событие и эффективно обращая время вспять.
Эти и многие другие вещи берут то, что с точки зрения традиционной науки невозможно, и показывают им, что это может произойти. Это настолько шокировало некоторых людей, но они доходили до состояния полного отрицания...
По материалам публикации (https://www.quora.com/Niels-Bohr-said-Anyone-who-is-not-shocked-by-quantum-theory-has-not-understood-it-What-makes-quantum-theory-shocking/answer/Rui-Silva-85) (англ.).
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
05.03.2021, 19:10
Кем является человек? [ Квантовая физика индивидуальности]
9 декабря 2020
10 тыс. дочитываний
4 мин.
https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/1687249/pub_5fd029d3960e7c32f1bf9e2f_5fd02a05960e7c32f1bfa bb7/scale_1200
(Иллюстрация: Skye Studios on Unsplash)Хотя всем нам нравится думать о себе как о уникальных личностях, квантовая физика давно предполагает, что это представление является иллюзией. Один из основных принципов буддизма, который ставит его в противоречие с большинством других религий, особенно авраамических, заключается в том, что нет «Я», нет ядра или сущности, которые делают человека личностью. Скорее люди представляют собой смесь мыслей и чувственных впечатлений. Осознание их нами является общим и неотличимо от иных. Таким образом, все предполагаемые признаки нашей индивидуальности на самом деле являются частью мира, а не нашим «я». Таким образом, наше ощущение Самости и уникального индивидуального существования - это психологическая уловка нашего мозга, способ интеграции мыслей и убеждений в единое Я таким же образом, как наши мышцы, кости и сухожилия интегрируют совокупность клеток в все тело.
Квантовая механика, кажется, поддерживает эту идею в том смысле, что частицы не обладают индивидуальностью, но фактически неразличимы, кроме как по своим свойствам. В то время как классическая статистика рассматривает частицы как индивидуумы, квантовая статистика - нет. Возьмите электрон и замените его другим электроном, и вы не заметите разницы. Этот так называемый постулат неразличимости лежит в основе квантовой статистики.
Более фундаментальная квантовая теория поля идет дальше, чем квантовая механика, и отбрасывает само понятие частиц, а вместо этого просто создает статистику «да/нет», где «да» в определенном месте указывает на то, что частица есть, а «нет» в том же месте указывает на отсутствие частицы (это называется виртуальными частицами). Поле - это одно целое с одной природой, и идентичность включается в распределение ее поля.
Это мало чем отличается от индуистского представления о божественности. Все - Бог. Бог - это все, и наша индивидуальность подобна «да/нет» в области божественного. Это контрастирует с четким различием, проводимым в западных религиях между Богом и людьми. В этих религиях Бог дает людям индивидуальность, поскольку они созданы из «праха» (лучший перевод может быть «почва»), а не обладают своей индивидуальностью в силу своей собственной божественной природы. Таким образом, мы – существа из грязи, личность и индивидуальность которых проистекает из божественного духа, вдыхаемого в нас извне.
Независимо от мнения Бога по этому поводу, мы можем спросить, важна ли вообще индивидуальность для нашей природы. Опираясь на альтернативную философию, которая является одновременно древней и постмодернистской, квантовые частицы могут вообще не иметь никакой внутренней идентичности, но люди присваивают им свою идентичность посредством именования. Таким образом, называя частицу обладающей определенным набором свойств (поскольку электрон, безусловно, не имеет представления о свойствах, которые люди выбрали для измерения), экспериментатор, подобно богу, придает внешнюю идентичность частице в своем детекторе.
Точно так же посредством именования люди наделяют друг друга идентичностью, и как социальные существа мы впитываем это чувство идентичности. Этот социолингвистический источник индивидуальности имеет то преимущество, что не требует изобретения источника идентичности, помимо физического, но у него есть недостаток, заключающийся в том, что он означает, что мы такие, какими нас называют другие люди.
Хотя очевидно, что генетика и другие физиологические факторы также должны играть здесь роль, ни один из этих источников сам по себе не придает никакой идентичности. Скорее они информируют нас о том, как «назвать» нашу личность. Сама идентичность происходит из обозначения этих внешних и внутренних факторов. Таким образом, язык становится ключевым как в квантовой физике, так и в человеческой идентичности. Ведь язык, разговорный или математический, описывает, что такое частица, поле или человек, и что может считаться частью ее природы по сравнению с другой. И действительно, природа этого языка: английский, французский, китайский или теория операторов в гильбертовом пространстве определяет, какие типы тождеств могут существовать.
В средние века эта идея получила название номинализм: идея о том, что язык является основой метафизики (теории сущности). Виллем Оккам и Питер Абеляр, как известно, поддерживали эти идеи. Буддизм также можно рассматривать как номиналистическую философию. Эссенциалисты и неоплатоники/аристотелевские философы, такие как Фома Аквинский, отвергали его.
Если вы платоник и верите, что существует «мир форм» или томист (тот, кто заимствует свою философию от Фомы Аквинского) и считаете, что формы существуют в разуме или духе Бога, вы представляете себе это (примитивную идентичность не зависящую от свойств) существующим отдельно от реальности. Ибо в «реальном» мире мы не находим источника такового.
Но даже здесь возникает вопрос, где же индивидуальность. Фома Аквинский считал, что душа - это платоническая форма тела. Таким образом, каждый из нас имеет уникальную форму. Платон, однако, предположил, что каждый экземпляр вещи имеет форму или шаблон в каком-то другом мире. Имеют ли электроны, лишенные аквинских душ, платоническую форму? Или это поле, в котором они существуют, является своего рода универсальной формой электронности как внутри мира, так и стоящей отдельно от него? Если это так, то индивидуальность может быть не так важна, как данное свойство квантовых полей. Таким образом, наша собственная идентичность и самоощущение - не более чем «да» в квантовом поле, которое порождает наше существование.
В этом случае квантовая теория поля может сразу дать нам сущностную идентичность и забрать ее, поскольку мы не можем отличить себя от других, существуя, скорее, в квантовом поле размером со Вселенную, которое присваивает нам сущность.
Независимо от нашего осознания собственного существования, наша природа может быть существенной, но если так, то научным способом определить это невозможно. Более того, что бы это ни было, вероятно, оно гораздо более примитивно, чем то, в чем мы хотели бы видеть свою уникальность.
Наша идентичность с психологической точки зрения является функцией нашего мозга, которая проявляет свою идентичность через развитие и взаимодействие генетики, окружающей среды, языка и обстоятельств. Любое «я» за пределами этого кажется делом веры.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
04.06.2021, 09:19
Понимание квантовых вычислений через случайное блуждание пьяненьких людей
Автор оригинала: Dylan Miracle, Dr. César A. Rodríguez-Rosario (https://stackoverflow.blog/2021/04/14/understanding-quantum-computing-through-drunken-walks/)
Блог компании Маклауд (https://habr.com/ru/company/macloud/),
Open source (https://habr.com/ru/hub/open_source/),
Математика (https://habr.com/ru/hub/maths/),
Научно-популярное (https://habr.com/ru/hub/popular_science/),
Квантовые технологии (https://habr.com/ru/hub/quantum/)
Перевод
https://habrastorage.org/webt/i4/zl/fj/i4zlfj8iet2wp8xg54te504ydx4.png
Квантовые вычисления — это самая большая революция в вычислениях со времен… вычислений. Наш мир состоит из квантовой информации, но мы воспринимаем мир как классическую информацию. То есть очень много происходит в небольших масштабах, недоступных нашим нормальным чувствам. Как люди, мы эволюционировали, чтобы обрабатывать классическую информацию, а не квантовую информацию: наш мозг запрограммирован на то, чтобы думать о саблезубых кошках, а не о кошках Шредингера. Мы можем достаточно легко закодировать нашу классическую информацию с помощью нулей и единиц, но как насчет доступа к дополнительной доступной информации, из которой состоит наша Вселенная? Можем ли мы использовать квантовую природу реальности для обработки информации? Конечно, иначе нам пришлось бы закончить этот пост здесь, и это нас всех не удовлетворило бы. Давайте исследуем возможности квантовых вычислений, а затем приступим к написанию собственного квантового кода.
Отправной точкой для изучения квантовых вычислений является понимание того, что, хотя многие принципы противоречат здравому смыслу, классическая вселенная, которую мы знаем и любим, — всего лишь тень квантовой ткани реальности. Часть того, чтобы привыкнуть к кванту, — это привыкнуть к ограничениям нашего собственного восприятия. Это ограничение аналогично рисованию трехмерного объекта на двухмерном листе бумаги. Взгляните на каркас ниже. Он может представлять собой либо коробку (мы можем проиллюстрировать это стаканом сверху), угол (мы можем поместить бутылку внутрь, чтобы мы увидели угол).
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/80c/239/da8/80c239da88529d1f04bfe9419e3f5d04.png
Мы вынуждены видеть либо одно, либо другое, а не то и другое одновременно. Мы можем менять их взад и вперед, но поскольку мы застряли в двухмерном представлении, мы можем видеть только одно или другое. Двух измерений недостаточно для идеального изображения трехмерного объекта. Точно так же мир классической информации в ее простейшем кодировании представлен в битах, нулях и единицах. Однако этого недостаточно для описания квантового мира. В квантовом мире нам нужны квантовые биты или кубиты для описания нашей информации. Подобно тому, как ставят напиток на коробку или в угол, мы можем провести измерение, которое заставит наш кубит сообщать нам классический бит, но там есть больше информации, которой мы можем воспользоваться.
Квантовые компьютеры будут использовать остальную информацию для достижения большей вычислительной мощности. Это изменит все в приложениях в фармацевтике, новых экологически чистых материалах, логистике, финансах, больших данных и многом другом. Например, квантовые вычисления будут лучше вычислять энергию молекул, потому что это фундаментально квантовая проблема. Итак, если вы можете представить себе отрасль, занимающуюся молекулами, вы можете представить себе применение квантовых вычислений. Часто люди хотят знать, будут ли квантовые компьютеры быстрее, и хотя они смогут выполнять вычисления быстрее, но это не потому, что они делают то же самое с большим количеством циклов. Вместо этого квантовые компьютеры используют принципиально другой способ обработки информации. Чтобы почувствовать это фундаментальное различие, мы рассмотрим пример, который помогает проиллюстрировать мощь квантовых вычислений.
Познакомьтесь с квантовым пьяницей
Проведем мысленный эксперимент. В классической пьяной прогулке (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Drunkard%27s_Walk) (иногда называемой случайной прогулкой) у нас есть пьяница, который выходит из туалета и пытается найти своего друга в баре.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/eb7/bb5/e36/eb7bb5e363183a6643ffc139895a5ba7.png
В баре все выглядят одинаково, наш пьяница выпил слишком много, поэтому он подходит к случайному человеку, сидящему в баре. Когда он обнаруживает, что первый человек, которого он побеспокоил, не его друг, он случайным образом переходит к следующему табурету, либо слева, либо справа. Мы можем смоделировать нашего пьяного ходока, подбросив монетку и сказав, что если выпадет орел, то он пойдет направо, если решка — налево.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/557/95f/18a/55795f18ad3dab023cd1b718c57143bc.png
Следующий человек тоже будет не искомый друг, но память нашего пьяницы коротка, поэтому он с равной вероятностью будет двигаться влево или вправо. Это будет продолжаться до тех пор, пока не вызовут охрану, чтобы выгнать его.
Служба безопасности любит физику, поэтому они решили каждый раз подсчитывать, где наконец догнать пьяного человека. Вот что видит служба безопасности:
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/2c1/f42/7d4/2c1f427d459f491ca2bfe6fc98602ba6.gif
Форма — колоколообразная, и интересной особенностью колоколообразной кривой является то, что разброс середины (наиболее вероятное место, где можно найти пьяницу) представляет собой квадратный корень из количества шагов, которые делает пьяный ходок. Когда пьяница проходит девять барных стульев, разброс кривой равен трем; служба безопасности, вероятно, найдет его в пределах трех барных стульев от того места, где пьяница сидел изначально. Когда пьяница сделает 100 попыток, служба безопасности скорее всего найдет пьяницу в радиусе 10 табуретов от того места, откуда стартовал пьяница. Эти статистические данные помогают службам безопасности узнать, где они, скорее всего, найдут пьяного ходока, который находится где-то недалеко от точки старта.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/a05/434/970/a05434970b2202a3be93bc4790acbd18.png
Теперь у службы безопасности есть модель, которую они могут использовать, чтобы не отставать от классических пьяниц, но, к сожалению, в этом баре есть и квантовые пьяницы. В то время как классического пьяницы — это простое подбрасывание монеты для каждого направления, для квантового пьяницы монета является квантовой и может одновременно находиться в суперпозиции орла и решки. Квантовый пьяница идет по траектории, которая представляет собой суперпозицию левого и правого шага у каждого барного стула.
Суперпозиция — одно из фундаментальных понятий квантовой механики и один из инструментов, позволяющих различать квантовую информацию и классическую информацию. Чтобы получить больше удовольствия от суперпозиций, прочтите этот пост Strangeworks о некоторых основах кубитов (https://quantumcomputing.com/strangeworks/play-with-one-qubit?source=stackoverflow).
Квантовый пьяница будет идти в суперпозиции левого и правого одновременно без определенного местоположения, пока служба безопасности не найдет его.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/ffa/faf/c8d/ffafafc8d44553e993419bc220e34f45.gif
Когда служба безопасности смотрит на распределение позиций, где находится квантовый пьяница, они обнаруживают совершенно отличный результат от классического пьяницы.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/a84/f2b/ddb/a84f2bddbea2634d98ed95fd3810e21c.gif
В отличие от гладкого распределения колоколообразной кривой, они обнаружат распределение «клыков», показанное ниже:
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/681/52a/ce7/68152ace781550cb27c3a2ede6a0d713.png
Что происходит? Где квантовый пьяница? Почему пики распределения должны быть снаружи? Почему внутри есть области с очень низкой вероятностью, а другие — с более высокой? У квантового пьяницы появились новые свойства.
Пьяница, как правило, находится дальше от центра и менее вероятно, что он будет ближе к центру. Некоторые пути менее вероятны из-за помех, а некоторые более вероятны. Общий разброс тоже сильно отличается. Вместо того, чтобы относить разброс к квадратному корню, разброс линейно связан с числом или шагами. Квантовый пьяница, делающий десять шагов, скорее всего, будет обнаружен на внешней стороне десяти барных стульев, так же далеко, как классический пьяница, делающий 100 шагов.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/f6b/f3e/b11/f6bf3eb11af94169c6a20cf1ed0e7b96.png
Итак, как мы можем использовать это в своих интересах? Есть ли проблема, которую мы можем решить лучше с квантовыми пьяницами, чем с классическими пьяницами? Что ж, я рад, что вы спросили, потому что да, есть! Чтобы убедиться в этом, мы собираемся поставить пьяниц на прохождение лабиринта. Мы выбираем конкретный лабиринт, который продемонстрирует силу квантовых пьяниц. В этой задаче у нас есть древовидная структура, которая зеркально отражается, а затем склеивается.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/079/4ef/a02/0794efa02d747b5776899ace8393b70a.gif
Слева вход в лабиринт, а справа выход. Мы хотим увидеть, насколько хорошо наши пьяные ходоки находят выход. Помните, что классический пьяница будет подбрасывать монетку в каждом узле, тогда как квантовый пьяница будет создавать суперпозицию каждого пути в каждом узле. Пьяницы, как правило, застревают в случайных точках посередине, и им требуется больше времени, чтобы найти выход.
Поскольку квантовые пьяницы более распространены, им легче избежать застревания. Вот почему квантовые пьяницы находят выход быстрее, чем классические пьяницы.
https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/abd/3e7/33a/abd3e733a94bc7fa4bb420d2cc028b3e.gif
По мере того, как мы отправляем все больше и больше пьяниц, квантовые справятся с этой проблемой экспоненциально лучше, чем классические!
В этом и заключается сила квантовых вычислений. Несмотря на то, что это простой пример, все квантовые алгоритмы работают одинаково: посредством использования квантового разброса хитроумными способами, которые соответствуют структуре проблемы. Есть много приложений для квантовых алгоритмов, поэтому сейчас самое время начать изучать квантовое программирование.
В ближайшей будущем лучшими приложениями станут разработки фармацевтических препаратов и разработка новых материалов. Многие из этих приложений в химии в основе своей являются квантово-механическими. Это связано с тем, что вычисление энергии электронов для разных молекул более эффективно с использованием квантового компьютера. Проблемы оптимизации — еще одна область, в которой квантовые вычисления окажут влияние в недалеком будущем. Этот класс логистических проблем включает оптимизацию хранения (привет, FedEx, позвоните нам) или распределение товаров, таких как вакцины. Управление финансовыми рисками может осуществляться с помощью аналогичных алгоритмов. Кроме того, существуют технологии для создания квантового Интернета, который заменит некоторые из наших криптографических систем, чтобы обеспечить конфиденциальность и безопасность.
Начните программировать квантовые компьютеры
Вы можете начать работу с квантовыми вычислениями прямо сейчас (не напиваясь квантовым опьянением и не вызывая классического алкоголика на гонку по лабиринту)! В Strangeworks мы снижаем барьеры для программирования квантовых вычислений, чтобы вы могли стать частью этого захватывающего сообщества разработчиков ПО с открытым исходным кодом. Вы можете изучить нашу постоянно растущую библиотеку контента или создать свой собственный как член сообщества Strangeworks. Вы можете запустить код прямо здесь, без установки, и увидеть результат. Изучите множество различных языков и платформ квантового программирования.
Вот несколько отличных отправных точек:
Поиграйте с кодом для упрощенного квантового случайного блуждания (https://quantumcomputing.com/strangeworks/quantum-walk-intro)
В этом посте подробно рассказывается, как кодировать четырехузлового квантовго случайного «пешехода». Если начать с упрощенной задачи, это поможет вам сразу приступить к написанию квантового кода без больших накладных расходов из-за сложности проблемы. Понимание, которое у вас появится из этого поста, будет достаточным, чтобы осмыслить происходящее, в то время как фактический код и описание квантовой схемы познакомит вас с мельчайшими подробностями создания программ для квантовых компьютеров.
Начало работы с платформой Strangeworks (https://quantumcomputing.com/strangeworks/getting-started-bell-state?source=stackoverflow)
Если вы просто хотите окунуться в мир квантовых вычислений, нет ничего лучше, чем совершить экскурсию по платформе Strangeworks Quantumcomputing.com. Это руководство является идеальной отправной точкой для этой новой парадигмы вычислений.
Наши серверы (https://macloud.ru/?partner=4189mjxpzx) можно использовать для вычислений.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
https://habr.com/ru/company/macloud/blog/552982/
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
22.06.2021, 19:59
https://hi-news.ru/eto-interesno/chto-kvantovaya-fizika-mozhet-rasskazat-o-prirode-realnosti.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yand ex.com
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
22.09.2022, 08:59
Как измерения создают проблемы в квантовом мире?
Думаю, что уже много раз вы слышали про такое явление, как парадокс наблюдателя. Если сильно упростить его понимание, то он означает очень простое явление: если проводить измерения, то можно влиять на состояние системы. Сама идея о том, что наблюдение за системой изменяет хоть как-то её свойства, кажется абсурдной.https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/4888095/pub_63280f74e9a7595adf6d2a6b_63281f780ed4f941eea1e 55f/scale_1200
Измерение чёрной дыры микрометром
Как представить себе влияние измерений?
На практике оно звучит даже интереснее. Если посмотреть в микроскоп на частицу, то эта частица будет менять своё состояние. Понятно, что речь далеко не о макрочастицах и не об оптическом микроскопе, а о более серьезных и "тонких" устройствах, но суть остаётся прежней.
Конечно же, главный вопрос тут только один и, я думаю, вы тоже задумались именно об этом в первую очередь. Как это вообще может работать? Что за магия такая? Между тем, квантовая физика довольно часто сталкивается с парадоксом наблюдателя и уже воспринимает его как должное.
Что происходит при измерении?
Говоря научным языком, состояние системы может быть описано группой уравнений. Это квантовая функция. Если происходят измерения, то квантовая функция коллапсирует и из квантового состояния, где частица сразу и тут и там с некоторой долей вероятности, частица приобретает обычное состояние, описываемое классической механикой.
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/3813718/pub_63280f74e9a7595adf6d2a6b_63282300688d652acbedb e72/scale_1200
Измерения в квантовом мире другие
Но вот как так получается, что измерения могут влиять на физику процесса? Может быть тогда и если смотреть на вареную картошку, то она будет и остывать быстрее?
Пример про картошку более абстрактный и я уже однажды рассказывал, что работал у нас один химик, который единственный из всех мог успешно проводить ряд экспериментов. Остальные сотрудники не могли это сделать. Он был просто уверен, что получится так, как он считает нужным и оно всегда получалось. В науке есть ряд подобных задокументированных наблюдений. Один эффект плацебо чего стоит. Или шуточный эффект Паули. Но это уже стык философии и физики, что не является целью настоящей статьи. Посмотрите ролик про подобные явления.
ww.youtube.com/watch?v=L8DJW5eraZA
Измерение с физической точки зрения
Но если вернуться к физической трактовке явления, то начать стоит с определения термина "измерение". Нужно чётко понимать, чем является измерение с физической точки зрения.Измерение - это процесс, когда почти невесомые квантомеханические системы приходят в соприкосновение с классическими измерительными приборами.Но это только одно из вменяемых определений явления. Если покопаться в статьях, то можно обнаружить, что конкретного описания термина "измерение" фактически не существует.
Можно было бы списать всё это на недостаточное понимание происходящих процессов, подкрепленное отсутствием хорошего оборудования. Но есть уже множество публикаций и исследований, которые подтверждают реальное существование рассматриваемой проблемы. Например в журнале Physical Review Letters была статья Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement, где описывалось изучение зависимости суперпозиции атома стронция от измерений и показана однозначная зависимость.
Измерения в классической физике
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/1925603/pub_63280f74e9a7595adf6d2a6b_63281e05b86c6f71f8190 c4b/scale_1200
Понятно, что при механическом измерении есть обязательно взаимодействие
Пока всё в рамках классической теории оно как-то увязывается в некоторую логику. Измерение действительно физически воздействует на систему. Например, если прибор излучает видимый свет и проводит измерение с его помощью, то он однозначно скажется на поведении системы. По этому принципу можно описать даже влияние простого человеческого взгляда. Ведь всё это работа с потоками энергии, которые окажут влияние на систему.
Но усовершенствование современных измерительных приборов привело к тому, что граница между макроприборами и микроприборами стала размытой, а эффект сохранился. Теперь непонятно, где классический измерительный прибор, а где квантовый. Парадокс наблюдателя так никуда и не пропадал. Он всё также продолжает существовать.
Измерение как способ уничтожения информации
Изменился и взгляд на суть физического процесса, происходящего при измерении. Если раньше это был только лишь коллапс волновой функции, то сейчас на этот момент наложились развития представлений о квантовом мире. Теперь коллапс волновой функции, пропущенный через призму о многомировой вселенной, стал описываться не только как превращение квантовой системы в стандартную, а как факт фиксации только лишь одной из вселенной со стандартной для неё картиной.
В эту кастрюлю с борщом упало и как таковое понимание информации в физике (https://dzen.ru/media/id/5b41dab589690700ab23d3cf/62970bb57dc0de633e9b88de). А, точнее сказать, отсутствие этого полноценного понимания. Однако, если принять на минутку, что всё есть информация, то логика работы эффекта наблюдателя станет куда более простой и понятной и физическая суть измерения тоже.
Возьмем например измерение спина частицы. Измерение происходит на установке Штерна-Герлаха и заключается в вычислении спина на базе магнитной составляющей этого понятия.
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/5262161/pub_63280f74e9a7595adf6d2a6b_63281dd30dd3196caaf62 803/scale_1200
Установка Штерна-Герлаха
Тут довольно сложная и объемная теория. Коротко - измеряется магнитный момент. Получается забавный парадокс - измерение вдоль одного направления уничтожает полученную ранее информацию о двух других направлениях.
Каждое новое измерение приводит к обновлению информации. Или, если сказать это красиво, каждое новое измерение стирает любую полученную ранее информацию и прописывает новую. Новая информация описывает новое состояние частицы. Что же, боюсь более конкретного и точного объяснения физики процесса пока попросту нет. Если у вас есть какие-то мысли на этот счёт, то обязательно опишите свои представления в комментариях.
__________________
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
07.10.2022, 08:04
https://dzen.ru/a/Yz5l8XL4Jxezf9Yp?&
Телепортация реальна: свежие нобелиаты опровергли идеи Эйнштейна
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/987771/pub_633e65f172f82717b37fd629_633e693672f82717b3800 208/scale_1200
Изображение запутанных частиц© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Николай Гурьянов
Долгожданное и заслуженное — так называют решение Нобелевского комитета по физике в этом году. Главной научной награды мира удостоились трое ученых, создавших фундамент квантовой эры, в которую вступает человечество. Серией экспериментов лауреаты доказали, что Альберт Эйнштейн был не прав.
Ошибка гения
Десять миллионов шведских крон, или около 900 тысяч долларов по текущему курсу, разделят француз Ален Аспе (75 лет), американец Джон Клаузер (79) и австриец Антон Цайлингер (77).
Согласно официальной формулировке, премию присудили им "за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике".
"Мы уже живем в квантовом веке. Нобелевский комитет подтвердил фундаментальное значение нашей области науки", — говорит старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха Игорь Захаров.
"Примечательно, что это произошло практически через 100 лет после Нобелевской премии Альберта Эйнштейна, который также получил ее за достижения в области квантовой физики, хотя идеологически не был с ней до конца согласен", — отмечает руководитель теоретической группы Российского квантового центра (http://editor.ria.ru/organization_Rossijjskijj_kvantovyjj_centr/) и Университета МИСИС (http://editor.ria.ru/organization_Nacionalnyjj_issledovatelskijj_tekhno logicheskijj_universitet_MISiS/) Алексей Федоров.
Основатель теории относительности внес большой вклад в квантовую механику своей теорией фотоэффекта. В 1922-м Эйнштейну вручили за эту работу высшую научную награду.
Но он спорил с создателями квантовой механики — Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом и другими. В 1935-м Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью "Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?", сформулировав там так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий авторов этой работы).
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/5265785/pub_633e65f172f82717b37fd629_633e693672f82717b3800 209/scale_1200
Нильс Бор с Альбертом Эйнштейном дома у Пауля Эренфеста в Лейдене (декабрь 1925)CC0 / Paul Ehrenfest /
"Представьте две частицы (обычно рассматривают фотоны), связанные определенным образом. Когда они сталкиваются и затем разлетаются, действует закон сохранения энергии: если спин (направление вращения) первого фотона направлен в одну сторону, то спин второго — в противоположную. То есть сумма их вращения равна нулю. И если измерить частицу в одном месте, мгновенно будет известен результат измерений в другом. Это соответствует классической физике. Но в квантовой физике свойство "направление вращения" фиксируется измерением первой частицы. Прибор может выбрать любое направление вращения. Вторая связанная частица магическим образом узнает, как вертится первая, и крутится в противоположную сторону. Это и есть ЭПР-парадокс", — рассказывает Захаров.
На сайте (https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2022/press-release/) Нобелевского комитета объясняют: запутанные пары можно сравнить с машиной, которая выбрасывает шарики разных цветов в противоположных направлениях. Когда мальчик ловит черный мяч, он сразу понимает, что девочка поймала белый. Согласно классической физике, шары всегда были такими, а мы просто ликвидируем свое незнание их цвета. Однако квантовая механика утверждает, что шары не имели определенного цвета до тех пор, пока кто-то не посмотрел на них. И только тогда один случайным образом стал белым, а другой — черным.
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/5236207/pub_633e65f172f82717b37fd629_633e693672f82717b3800 20a/scale_1200
Скрытые переменные и квантовая механика© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Причем насколько далеки два кванта друг от друга, не имеет значения.
"Эйнштейн рассуждал: если это так, значит, мы допускаем, что скорость света не является основным ограничением скорости передачи информации. Он считал квантовую механику неполной. То есть следовало найти некие скрытые переменные, которые и определяют результат экспериментов", — уточняет Захаров.
Квантовый мир победил
В 1964-м североирландский физик Джон Стюарт Белл доказал, что существует тип эксперимента, способный установить, возможно ли описание мира, отличное от чисто квантово-механического. Если неизвестные переменные есть, то такой эксперимент, повторенный несколько раз, даст определенное статистическое значение. Эта теорема известна как неравенства Белла.
"Эксперименты нынешних нобелиатов продемонстрировали: неравенства Белла нарушаются. Мир квантовый, и нам придется с этим жить", — говорит Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ.
Заслуга Джона Клаузера в том, что он первым провел реалистичный опыт, выявивший нарушение неравенств Белла. В 1972-м американский физик построил аппарат, испускавший одновременно два запутанных фотона. Частицы под некоторым углом направляли на фильтры, устроенные наподобие солнечных очков: они блокировали свет, поляризованный в определенной плоскости.
Фотоны были с параллельной поляризацией, направление которой и устанавливали с помощью фильтров.
Однако у эксперимента имелся недостаток: фильтры были зафиксированы. Наблюдатель мог подвергнуть результаты сомнению: что, если установка каким-то образом выбрала частицы с сильной корреляцией и проигнорировала другие?
https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/5233415/pub_633e65f172f82717b37fd629_633e693672f82717b3800 20b/scale_1200
Схемы экспериментов нобелиатов© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Ален Аспе усовершенствовал методику Клаузера. Он регистрировал и те фотоны, которые через фильтр не прошли. Французский ученый направлял частицы к двум фильтрам, установленным под разными углами. Тумблеры задавали направление фотонам уже после того, как те вылетели из источника. Это происходило за миллиардные доли секунды, что исключало даже теоретическую возможность подделки результатов. Таким образом, "полноценность" квантовой механики была доказана.
Работы Антона Цайлингера открывают путь к практическому применению знаний о свойствах запутанных частиц.
"Мы не можем посылать сигнал быстрее скорости света. Эйнштейн здесь абсолютно прав. Но если мы заранее позаботимся о том, чтобы передать на большое расстояние связанные частицы, то сумеем манипулировать их состоянием. Сама манипуляция, или, как мы говорим, телепортация, происходит мгновенно. Она действительно не зависит от скорости света или каких-то других ограничений", — объясняет Захаров.
Квантовая телепортация происходит, когда одна из двух запутанных частиц, разлетевшихся в разные стороны, встречается и "запутывается" с третьей. При этом первая частица, оставшаяся в одиночестве, приобретает свойства третьей — а та, в свою очередь, теряет идентичность. Впервые такой эксперимент выполнили Цайлингер и его коллеги в 1997-м. Позже ученый на практике отработал передачу квантовой информации по оптоволоконной и спутниковой связи.
Квантовая механика в народном хозяйстве
Системы связи — наиболее перспективная область применения квантовых технологий.
"Cигналы кодируются в одиночные квантовые объекты, например кванты света — фотоны. Это гарантирует, что любое вмешательство в процесс передачи информации не останется незамеченным. Тем самым можно создать системы, в которых информация заведомо защищена", — рассказывает Алексей Федоров.
В этих технологиях заинтересованы правительственные структуры. Есть и коммерческий потенциал.
"Квантовая связь уже вполне успешно работает, существуют соответствующие устройства. Сейчас проблема в экономической целесообразности. Не для всех приложений имеет смысл переходить на более дорогостоящую технологию — только для самых критически значимых. И вопрос в том, насколько быстро удастся ее удешевить, чтобы она получила более широкое распространение. Устройства производят несколько компаний, в том числе и в России", — отмечает Страупе.
Захаров добавляет, что по квантовой связи не станут пересылать большие массивы данных. "Будут передавать ключ. Скажем, тысячу байтов. А остальное — как угодно, информацию не раскрыть без ключа. Но технология по-прежнему сложная", — говорит он.
Второе направление, где стоит ожидать прорыва в ближайшие годы, — квантовые компьютеры. Несколько научных групп из разных стран пытаются достичь так называемого квантового превосходства, то есть способности решать задачи, недоступные классическим вычислительным машинам.
СМИ несколько раз за последние годы сообщали об успехе, однако затем это опровергали.
"Квантовое превосходство — это moving target (движущаяся цель). Классические алгоритмы симуляции квантовых систем тоже развиваются. Это некая гонка, динамический процесс. В какой-то момент считалось невозможным просимулировать квантовый процессор компании Google. Но конкуренты это сделали, — поясняет Страупе. — Следом китайцы представили квантовый процессор с большим числом кубитов. И так далее. Но понятно, что рано или поздно этого превосходства достигнут. Сейчас мы на грани этого".
По мнению Захарова, речь идет о ближайшем десятилетии. Ожидается, что квантовое превосходство позволит совершить качественный скачок в области моделирования материалов, предсказания поведения сложных систем, машинного обучения, оптимизации.
Развивается и квантовая сенсорика. "Это возможность за счет квантовых эффектов, в том числе квантовой запутанности, с беспрецедентной точностью измерять различные параметры, такие как время (что важно для систем глобального позиционирования) или электромагнитные поля (для биомедицинских приложений)", — говорит Федоров.
"С теорией у российской науки все нормально"
В 2020-м в России утвердили (https://digital.gov.ru/uploaded/files/07102019kvantyi.pdf) дорожную карту развития квантовых технологий. Выделили 51,1 миллиарда рублей. Для сравнения: в США конгресс утвердил проект на 20 миллиардов долларов, в Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом более трех миллиардов евро, в Китае создают Национальную квантовую лабораторию с предполагаемым финансированием в 12 миллиардов долларов. В то же время частные компании на Западе получают на такие разработки огромные суммы от венчурных фондов.
В рамках российской программы планируется развивать и квантовую связь, и вычисления, и сенсорику. Уже создали квантовый симулятор на базе 11 кубитов (кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере). Но для практического применения нужен квантовый компьютер с тысячами кубитов. По оценке специалистов, разработать такую машину получится в лучшем случае к концу десятилетия.
"С точки зрения экспериментов у нас тоже есть свои победы, но они пока достаточно скромные. США, Канада, Япония и Китай в этой области впереди, — признает Захаров. — А вот с теорией у российской науки все нормально, не отстаем. Мы следим за тем, что происходит, участвуем в разработках, пишем свои статьи и публикуем их в международных научных журналах".
По его словам, в области квантовой физики сотрудничество с западными коллегами не прекращается даже в нынешней сложной ситуации.
Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы
31.01.2024, 15:55
https://www.youtube.com/watch?v=Os-gGgrfQNs
vBulletin® v3.7.3, Copyright ©2000-2024, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot