Новый эксперимент может пролить свет на удивительную скрытую механику квантовых суперпозиций.
Суперпозиция - понятие о том, что крошечные объекты могут существовать в нескольких местах или состояниях одновременно - является краеугольным камнем квантовой физики. Новый эксперимент пытается пролить свет на это загадочное явление.
Главный вопрос в квантовой механике, на который никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции - своеобразном состоянии, в котором частицы находятся в двух или более местах или состояниях одновременно? Группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволит нам узнать что-то точное о природе этого загадочного явления.
Их эксперимент, который, по словам исследователей, может быть выполнен в течение нескольких месяцев, должен позволить ученым понять, где фактически находится объект - в конкретном случае частица света, называемая фотоном - когда она находится в суперпозиции. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места сразу».
Классический пример суперпозиции включает в себя обстрел фотонов сквозь две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя подобно волнам, так что те, которые проходят через одну щель, «мешают» тем, кто проходит через другую, их волнистые ряби, увеличивая или меняя друг друга, создают характерную структуру на экране детектора. Странная вещь, однако, заключается в том, что это вмешательство происходит, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Частица как бы проходит через обе щели сразу. Это и есть суперпозиция.
И это очень странно: измерение того, через какую именно щель преодолевает частица, неизменно указывает на то, что она проходит только через одну щель, и в таком случае волновая интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Сам акт измерения, похоже, «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит нечто странное » - говорит физик Авшалом Элицер из израильского института перспективных исследований. «Но вы не можете это измерить. Это то, что делает квантовую механику настолько загадочной».
На протяжении десятилетий исследователи останавливались в этом очевидном тупике. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не наблюдая за ней; но если они попытаются взглянуть на неё, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанных бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Ааароновым в Университете Чепмена и его сотрудниками, предлагает способ узнать что-то о квантовых частицах перед измерением. Ахароновский подход называется формализмом двух состояний (TSVF) квантовой механики, а постулаты квантовых событий в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть, TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения причины, по-видимому, могут распространяться назад во времени, возникающие после эффектов.
Но не нужно воспринимать это странное понятие буквально. Скорее всего, в TSVF можно получить ретроспективное знание о том, что произошло в квантовой системе: вместо того, чтобы просто измерять, где заканчивается частица, исследователь выбирает конкретное место для поиска. Это называется post-selection, и оно предоставляет больше информации, чем любой безусловный взгляд на результаты. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории вплоть до измерения, включая измерение. Получается, что исследователь - просто выбрав для поиска конкретный результат - затем приходит к выводу, что результат должен произойти. Это немного похоже на то, как если вы включаете телевизор в момент, когда должна транслироваться ваша любимая программа, но само ваше действие заставляет эту программу транслироваться в этот самый момент. «Общепризнано, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике» - говорит Дэвид Уоллес, философ науки в Университете Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики. «Но это приводит к тому, что некоторые вещи не видят иначе».
Возьмем, к примеру, вариант двухсекундного эксперимента, разработанного Аароновым и сотрудником Левом Вайдманом в 2003 году, который они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой один фотон действует как «затвор», который закрывает щель, заставляя другой «пробный» фотон приближаться к щели, чтобы отражаться так, как она появилась. После измерений пробного фотона, как показали Ахаронов и Вайдман, можно заметить фотоснимок затвора в суперпозиции, закрывающей одновременно (или даже произвольно много) щелей одновременно. Другими словами, этот мысленный эксперимент в теории позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один хорошо изученный аспект так называемых «нелокальных» свойств квантовых частиц, где все понятие четко определенного положения в космосе растворяется.
В 2016 году физики Рио Окамото и Шигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя светопроводящую схему, в которой фотосъемка затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом другого. «Это был новаторский эксперимент, который позволил установить одновременное положение частицы в двух местах» - говорит коллега Элицура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.
Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более умопомрачительный эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью узнать больше о расположении частицы в суперпозиции в последовательности разных точек времени до того, как будут сделаны какие-либо фактические измерения.
На этот раз маршрут зондового фотона будет разделен на три части зеркалами. Вдоль каждого из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно считать выполненными в коробках с надписью A, B и C, каждая из которых расположена вдоль каждого из трех возможных путей фотона. Рассматривая самоинтерференцию зондового фотона, можно будет ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в данном ящике в определенное время.
Эксперимент сконструирован таким образом, чтобы пробный фотон мог показывать только интерференцию в случае взаимодействия с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времен: а именно, если фотон затвора находился в обоих блоках A и C в некоторый момент времени (t1), то при более позднем времени (t2) - только в C и еще в более позднее время (t3) - как в B, так и в C. Таким образом, интерференция в зондирующем фотоне была бы окончательным признаком того, что фотон затвора действительно проходит через эту странную последовательность разрозненных явлений среди ящиков в разное время - идея Элицура, Коэна и Ааронова, которые в прошлом году предположили, что одна частица одновременно проходит по трем ящикам. «Мне нравится, как эта статья ставит вопросы о том, что происходит с точки зрения целых историй, а не мгновенных состояний», - говорит физик Кен Уортон из Университета штата Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Говорить о «состояниях»- это старая повсеместная предвзятость, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».
Это именно то, к чему, по утверждению Элицура дает доступ новый эксперимент с TSVF. Очевидное исчезновение частиц в одном месте за один раз - и их повторное появление в других местах и времени - предполагает новое и необычное видение лежащих в основе процессов, связанных с нелокальным существованием квантовых частиц. Благодаря объективу TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте каким-то образом «отменяется» своей собственной «противоположной стороной» в том же месте. Он сравнивает это с понятием, введенным британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их собрать вместе, частица и античастица могут уничтожить друг друга. Эта картина сначала казалась просто манерой говорить, но вскоре привела к открытию антиматерии. Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в этом же смысле, но оно несколько аналогично - эти предполагаемые противоположные частицы, полагает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, позволяя им отменить их аналоги.
Поэтому, хотя традиционные «два места одновременно» суперпозиции могут казаться довольно странными, «возможно, суперпозиция представляет собой совокупность состояний, которые еще более сумасшедшие» - говорит Элицур. «Квантовая механика просто рассказывает вам об их среднем состоянии». Последующий выбор позволяет изолировать и проверить только некоторые из этих состояний с большим разрешением, предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», потому что это повлекло бы за собой до сих пор недопустимый зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.
Исследователи говорят, что проведение фактического эксперимента потребует тонкой настройки производительности их квантовых маршрутизаторов, но они надеются, что их система будет готова к нему через три-пять месяцев. Пока некоторые наблюдатели ожидают его с замиранием сердца. «Эксперимент должен работать, - говорит Уортон, - но он никого не убедит, поскольку результаты прогнозируются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не нет веских оснований интерпретировать результат в терминах TSVF.
Элицур соглашается, что их эксперимент мог быть задуман с использованием общепринятого взгляда на квантовую механику, которая царила десятилетия назад, но этого никогда не было. «Разве это не является хорошим показателем надежности TSVF ?» - спрашивает он. И если кто-то подумает, что они могут сформулировать другую картину того «что действительно происходит» в этом эксперименте, используя стандартную квантовую механику, он добавляет: «Хорошо, пусть они попробуют! »
Обычно мы думаем о квантовой физике как описывающей поведение субатомных частиц, а не поведения людей. Но эта идея не так уж и надумана, говорит Вонг. Также она подчеркивает, что ее исследовательская программа не предполагает, что наши мозги - буквально квантовые компьютеры. Вонг и коллеги сосредоточены не на физических аспектах мозга, а скорее на том, как абстрактные математические принципы квантовой теории могут помочь в понимании человеческого сознания и поведения.
«Как в социальных, так и в бихевиоральных науках мы часто используем вероятностные модели. К примеру, мы задаем вопрос, какова вероятность того, что человек будет действовать определенным образом или примет определенное решение? Традиционно, эти модели все основаны на классической теории вероятностей - которая возникла из классической физики ньютоновых систем. Что экзотического в том, что социальные ученые будут думать о квантовых системах и их математических принципах?».
Имеет дело с двусмысленностью в физическом мире. Состояние конкретной частицы, ее энергии, ее положения - все это неопределенно и должно быть рассчитано в терминах вероятностей. Квантовое познание рождается, когда человек имеет дело с психической двусмысленностью. Иногда мы не уверены в своих чувствах, ощущаем неоднозначность в выборе варианта, либо вынуждены принимать решения, основанные на ограниченной информации.
«Наш мозг не может хранить все. Мы не всегда имеем четкое представление о происходящем. Но если вы зададите мне вопрос вроде «что ты хочешь на ужин?», я подумаю и приду к конструктивному и четкому ответу, - говорит Вонг. - Это квантовое познание».
«Я думаю, что математический формализм, обеспечиваемый квантовой теорией, согласуется с тем, что мы интуитивно чувствуем как психологи. Квантовая теория может не быть интуитивной вообще, когда используется для описания поведения частицы, но вполне интуитивна, когда с ее помощью описывается наше типичное неопределенное и неоднозначное мышление».
Она использует пример кота Шрёдингера - , в котором кот внутри ящика с определенной вероятностью одновременно и жив, и мертв. Оба варианта потенциальны в нашем сознании. То есть, у кота есть потенциал быть одновременно мертвым или живым. Этот эффект называется квантовой суперпозицией. Когда мы открываем ящик, обе вероятности больше не существуют, и кот должен оказаться живым или мертвым.
С квантовым сознанием, каждое принятое нами решение - наш собственный уникальный кот Шрёдингера.
Когда мы перебираем варианты, мы просматриваем их своим внутренним взглядом. Какое-то время все варианты сосуществуют с различной степенью потенциалов: вроде суперпозиции. Затем, когда мы выбираем один вариант, остальные перестают существовать для нас.
Смоделировать этот процесс математически трудно, отчасти потому, что каждый возможный вариант добавляет уравнению веса. Если во время выборов человеку предлагают выбрать из двадцати кандидатов в бюллетене, проблема выбора становится очевидной (если человек впервые видит их имена). Вопросы с открытым концом вроде «как вы себя чувствуете?» оставляют еще больше возможных вариантов.
С классическим подходом к психологии, ответы могут вовсе не иметь смысла, поэтому ученым нужно построить новые математические аксиомы, чтобы объяснить поведение в каждом отдельном случае. Результат: появилось много классических психологических моделей, некоторые из которых конфликтуют между собой, и ни одна из которых не применима к каждой ситуации.
С квантовым подходом, как отмечает Вонг и ее коллеги, многие сложные и комплексные аспекты поведения могут быть объяснены одним ограниченным набором аксиом. Та же квантовая модель, что объясняет, почему порядок вопросов влияет на ответы опрашиваемых людей, также объясняет нарушения рациональности в парадигме «дилеммы заключенного», эффекта, когда люди работают сообща, даже если это совсем не в их интересах.
«Дилемма заключенного и порядок вопросов - два совершенно разных эффетка в классической психологии, но они оба могут быть объяснены одной квантовой моделью, - говорит Вонг. - С ее же помощью можно объяснить много других, несвязанных и загадочных выводов в психологии. Причем элегантно».
Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.
"Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?"- спросите вы.
Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.
Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.
Что изучает квантовая физика простыми словами
Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.
А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.
Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.
Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.
Кратко об истории квантовой физики
Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.
Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.
Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.
Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике
Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.
Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.
Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?
Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?
Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.
Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.
Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.
Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.
Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.
Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.
Суперпозиция в квантовой физике
При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.
Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это здравый смысл.
В физике микромира же все по-другому.
Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.
Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.
Так мы приходим к пониманию термина "суперпозиции" в квантовой механике.
Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно. И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.
Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.
Коллапс волновой функции в физике простыми словами
Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.
Но в итоге результат ошеломил всех.
Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.
Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.
Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.
Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.
После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.
То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.
Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.
"Вот это фантастика"- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.
Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.
Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.
Мультфильм про квантовую физику:
Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.
Видео о квантовой физике:
И как вы раньше об этом не знали.
Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.
Пустое пространство – не пусто
Современные исследования показали: пустое пространство – не пусто. Оно наполнено колоссальной энергией. В каждом кубическом сантиметре абсолютного вакуума этой энергии столько, сколько не содержится во всех материальных объектах нашей Вселенной!
А если копнуть еще глубже? За тысячи лет до Демокрита индийские мудрецы знали, что за пределами реальности, которая воспринимается нашими органами чувств, существует другая, более «важная» реальность. Индуизм учит: мир внешних форм – это всего лишь майя, иллюзия. Он совсем не таков, как мы его воспринимаем. Есть «высшая реальность» – более фундаментальная, чем материальная Вселенная. Из нее исходят все феномены нашего иллюзорного мира, и она каким-то образом связана с человеческим сознанием.
По существу, нет ничего имеющего какое-то значение – все абсолютно иллюзорно. Даже самые массивные предметы – все это невещественная материя, очень смахивающая на мысль; в общем, все вокруг – сконцентрированная информация. – Джеффри Сатиновер, доктор медицины
К этому же пришла сегодня и квантовая физика. Ее положения таковы: в основе физического мира лежит абсолютно «нефизическая» реальность; это реальность информации, или «вероятностных волн», или сознания. Если говорить более определенно, то следует выразиться так: на своих глубинных уровнях наш мир представляет собой фундаментальное поле сознания; оно создает информацию, определяющую существование мира
Ученые выяснили, что атомная система – ядро и электроны – представляет собой не совокупность микроскопических материальных тел, а устойчивый волновой паттерн. Затем оказалось, что об устойчивости говорить не приходится: атом – это кратковременное взаимное наложение (сгущение) энергетических полей. Добавим к этому следующий факт. Соотношения линейных размеров ядра, электронов и радиусов электронных орбит таково, что можно смело утверждать: атом почти полностью состоит из пустоты. Удивительно, как это мы не проваливаемся сквозь стул, когда садимся на него – ведь он есть одна сплошная пустота! Правда, и пол таков же, и земная поверхность… Есть ли в мире что-нибудь достаточно «наполненное», чтобы мы не провалились?!
Что реальнее – сознание или материя?
Доктор медицины Эндрю Ньюберг исследовал духовный опыт, полученный разными людьми, как невролог и описал результаты своей работы в книгах «Почему не уходит Бог? Наука о мозге и биология веры» и «Мистический ум. Исследование биологии веры». «Человек, испытавший духовное озарение, – пишет он, – ощущает, что прикоснулся к подлинной реальности, которая является фундаментом и причиной всего остального». Материальный мир представляет собой некий поверхностный, вторичный уровень этой реальности.
«Нам необходимо тщательно исследовать отношения между сознанием и физической Вселенной. Возможно, материальный мир – производный от реальности сознания; возможно, сознание – это основной материал Вселенной». Доктор Ньюберг
Реальность – результат выбора?
А может быть, наши ежесекундные интерпретации реальности в повседневной жизни – просто результат выбора «демократического большинства»? Или, говоря другими словами, реальным представляется то, что считает реальностью большинство людей? Если в комнате находится десять человек и восемь из них видят стул, а два – марсианина, кто из них сошел с ума? Если двенадцать человек воспринимают озеро как замкнутую в берегах водную массу, а один считает его сплошным твердым телом, по которому можно ходить, – кто из них бредит?
Возвращаясь к понятиям предыдущей главы, мы теперь можем сказать: парадигма – это просто общепринятая модель того, что считается реальным. Мы голосуем за эту модель своими действиями, и она становится нашей реальностью. Но тогда возникает Великий Вопрос: «Может ли сознание творить реальность?» Не потому ли никто так и не дал ответа на этот вопрос, потому что сама реальность и есть ответ?
Эмоции и восприятие мира
Есть чисто анатомическое свидетельство того, что информацию о мире нам дает мозг, а не глаза. В том месте глазного яблока, где оптический нерв проходит к задней части мозга, нет никаких зрительных рецепторов. Поэтому следовало бы ожидать: если мы закроем один глаз, увидим в центре «картинки» черное пятно. Но этого не происходит – и только потому, что «картинку» рисует мозг, а не глаз.
Мало того – мозг не делает различия между тем, что человек реально видит, и тем, что он воображает. Похоже, что он даже не видит разницы между выполненным и воображаемым действием.
Этот феномен открыл в 1930-х годах доктор медицины Эдмунд Джекобсон (создатель техники постепенного расслабления в целях снятия стресса). Он просил испытуемых представить себе определенные физические действия. И обнаружил: в процессе визуализации их мышцы едва заметно сокращаются в точном соответствии с теми движениями, которые совершались мысленно. Теперь эту информацию используют спортсмены всего мира: они включают в программу подготовки к соревнованиям визуальные тренировки.
Ваш мозг не видит разницы между миром внешним и миром вашего воображения. – Джо Диспенза
Исследования доктора Перт из Национального института здоровья (США) позволяют предположить: восприятие мира человеком определяется не только его представлениями о том, что реально, а что – нет, но и его отношением к информации, поставляемой органами чувств.
От последнего во многом зависит, воспримем ли мы что-либо, а если воспримем, то как именно. Доктор говорит: «Наши эмоции определяют то, на что стоит обращать внимание… И решение о том, что достигнет нашего сознания, а что будет отброшено и останется на глубинных уровнях тела, принимается в момент воздействия внешних раздражений на рецепторы».
Итак, суть дела более или менее ясна. Мы сами создаем мир, который воспринимаем. Когда я открываю глаза и оглядываюсь вокруг, то вижу не реальность «как она есть», а мир, который способно воспринять мое «сенсорное оборудование» – органы чувств; мир, который позволяет мне видеть моя вера; мир, отфильтрованный эмоциональными предпочтениями.
Основы квантовой механики
Известное встречается с неизвестным
За последующее столетие возникла совершенно новая наука, известная как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория. Она не заменяет ньютоновскую физику, которая прекрасно описывает поведение крупных тел, т. е. объектов макромира. Она была создана, чтобы объяснить субатомный мир: в нем теория Ньютона беспомощна.
Вселенная – очень странная штука, – говорит один из основателей нанобиологии доктор Стюарт Хамерофф. – Похоже, есть два набора законов, управляющих ею. В нашем повседневном, классическом мире все описывается ньютоновскими законами движения, открытыми сотни и сотни лет назад… Однако при переходе в микромир, на уровень атомов, начинает действовать совершенно иной свод «правил». Это – квантовые законы».
Факты или фантастика? Одно из самых глубоких философских различий между классической и квантовой механикой заключается в следующем: классическая механика построена на идее о возможности пассивного наблюдения за объектами… квантовая механика насчет этой возможности никогда не заблуждалась. – Дэвид Альберт, доктор философии
Факты или фантастика?
Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно! (Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!) Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.
Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно – находясь друг от друга на любом удалении.
Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика – вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.
Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет. Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.
И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом и объектом, наблюдателем и наблюдаемым – а ведь оно властвовало над учеными умами в течение 400 лет!
В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной – все принимает участие в ее существовании.
Наблюдатель
Мое сознательное решение о том, как наблюдать электрон, в некоторой степени будет определять свойства электрона. Если я буду интересоваться им как частицей, то получу о нем ответ как о частице. Если буду интересоваться им как волной – получу о нем ответ как о волне. Фритьоф Капра, физик, философ
Наблюдатель влияет на наблюдаемое
До того, как проводится наблюдение или измерение, объект микромира существует в виде вероятностной волны (строже – в качестве волновой функции).
Она не занимает никакого определенного положения и не имеет скорости. Волновая функция представляет собой лишь вероятность того, что при наблюдении или измерении объект возникнет здесь или там. Он имеет потенциальные координаты и скорость – но мы не будем знать их до тех пор, пока не начнем процесс наблюдения.
«В связи с этим, – пишет физик-теоретик Брайан Грин в книге «Ткань космоса», – когда мы определяем положение электрона, мы не измеряем объективное, ранее существовавшее свойство реальности. Скорее акт измерения плотно вплетен в создание самой измеряемой реальности». Утверждение Фритьофа Капра логически завершает рассуждения Грина: «Электрон не имеет объективных свойств, не зависимых от моего сознания».
Все это стирает грань между «внешним миром» и субъективным наблюдателем. Они, похоже, сливаются в процессе обнаружения – или создания? – окружающего нас мира.
Проблема измерения
Идея о том, что наблюдатель неизбежно влияет на любой наблюдаемый им физический процесс; о том, что мы не нейтральные свидетели происходящего, просто-напросто обозревающие предметы и события, впервые была высказана Нильсом Бором и его коллегами из Копенгагена. Вот почему эти положения часто называют копенгагенской интерпретацией.
Бор утверждал: принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает нечто большее, чем невозможность точно одновременно определить скорость и положение субатомной частицы.
Вот как описывает выдвинутые им постулаты Фред Алан Вольф: «Дело не только в том, что вы не можете измерить нечто. Этого «нечто» вообще нет – до тех пор, пока вы не начнете его наблюдать.
Гейзенберг же полагал, что оно существует само по себе». Гейзенберг не решался признать, что до вовлечения в процесс наблюдателя не было никакого «нечто». Нильс Бор не только утверждал это, но и решительно развил свои предположения.
Так как частицы не возникают до тех пор, пока мы не начнем их наблюдать, говорил он, то реальность на квантовом уровне не существует – до тех пор, пока никто ее не наблюдает и не ведет в ней измерения.
До сих пор в научной среде ведутся горячие споры (это стоит скорее назвать яростными дебатами!) о том, является ли именно человеческое сознание наблюдателя причиной «схлопывания» и перехода волновой функции в состояние частицы?
Писательница и журналистка Линн Мактаггарт так выражает эту мысль, избегая научных терминов: «Реальность – это незастывшее желе. Это не сам мир, а его потенциальность. А мы своей причастностью к нему, актом наблюдения и осмысления, заставляем это желе застыть. Так что наша жизнь – неотъемлемая часть процесса создания реальности. Его определяет наше внимание».
Во Вселенной Эйнштейна объекты обладают точными значениями всех возможных физических параметров. Большинство физиков сказали бы сейчас, что Эйнштейн ошибался. Свойства субатомной частицы проявляются только тогда, когда их принуждают к этому измерения… В тех случаях, когда они не наблюдаются… параметры микросистемы пребывают в неопределенном, «туманном» состоянии и характеризуются исключительно вероятностью, с которой может реализоваться та или иная потенциальная возможность. – Брайан Грин, «Ткань космоса» Зачем
Квантовая логика
Квантовая логика На вопрос о том, остается ли электрон неизменным, мы вынуждены ответить: «Нет». Если нас спрашивают, изменяется ли со временем положение электрона, мы должны сказать: «Нет». Если нам задают вопрос, остается ли электрон в покое, мы отвечаем: «Нет». На вопрос о том, находится ли электрон в движении, мы говорим: «Нет». – Дж. Роберт Оппенгеймер, создатель атомной бомбы
Квантовая логика Джона фон Неймана выявила главную часть проблемы измерения: к измерению приводит лишь решение наблюдателя. Это решение ограничивает степени свободы квантовой системы (например, волновой функции электрона) и таким образом влияет на результат (реальность).
Экология познания: Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная
Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями . И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.
Все состоит из волн - и частиц тоже
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это экспериментальный факт.
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний великий вклад Эйнштей на в физику не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика - не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения. опубликовано
Присоединяйтесь к нам в
