Основы квантовой физики

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

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]

Ученые получили изображения кота Шредингера



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. 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

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Янус-частица

03 октября 2014, 17:53Александр Телишев
62 31 5 1

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 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 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/yanuschastits...utm_medium=pad


http://www.youtube.com/watch?v=Obb5G4Wjo1g

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Проблемы квантовой теории или небольшая экскурсия в квантовую метафизику


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]

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]

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]

http://www.youtube.com/watch?v=JgatWlaFQmI

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Квантовая математика

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.

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.

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.

Поль Дирак. Источник: Florida State University 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]

Как телепортация сохранит России триллионы долларов


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.
«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.
Устройства 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

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

http://pavel-sviridov.livejournal.co..._medium=social
В исследовании поведения квантовых частиц учёные из Австралийского национального университета подтвердили, что квантовые частицы могут вести себя настолько странно, что кажется, будто они нарушаютпринцип причинности.

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), 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» (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.

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.



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». 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.



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 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]

Морфогенное поле: Квантовая теория сознания Руперта Шелдрейка



https://cont.ws/@daralit/503266



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

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://www.youtube.com/watch?v=vvIaFkBru3s

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Можно ли отправить послание, ничего не отправляя?

5 часов ago Наука 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

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://www.youtube.com/watch?v=vvIaFkBru3s

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://theoryandpractice.ru/posts/8...tum-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



Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция — математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.
По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.
У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому — тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.
Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.
Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.
Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.
Дифракция электронов



По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?
Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов — медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.
В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.
При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики — объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).
Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.
Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.
Нагретый фуллерен



Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах — крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).
Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.
Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.
Охлаждающее измерение



Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.
Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр — около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте — крошечной алюминиевой полоске.
Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.
В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно — после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.
Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись — теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.
Замирающие частицы



Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.
Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье, опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать — просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).
Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.
Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?
Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть 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 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 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.