Пять квантовых экспериментов, демонстрирующих иллюзорность реальности

29 просмотров
Об авторе

Кот Шрёдингера

Никто в этом мире не понимает, что такое квантовая механика. Это, пожалуй, самое главное, что нужно знать о ней. Конечно, многие физики научились использовать законы и даже предсказывать явления, основанные на квантовых вычислениях. Но до сих пор неясно, почему наблюдатель эксперимента определяет поведение системы и заставляет ее принять одно из двух состояний.

Перед вами несколько примеров экспериментов с результатами, которые неизбежно будут меняться под влиянием наблюдателя. Они показывают, что квантовая механика практически имеет дело с вмешательством сознательной мысли в материальную реальность.

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, но Копенгагенская интерпретация, пожалуй, является самой известной. В 1920-х ее общие постулаты были сформулированы Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.

В основу Копенгагенской интерпретации легла волновая функция. Это математическая функция, содержащая информацию о всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она существует одновременно. Как утверждает Копенгагенская интерпретация, состояние системы и ее положение относительно других состояний может быть определено только путем наблюдения (волновая функция используется только для того, чтобы математически рассчитать вероятность нахождения системы в одном или другом состоянии).

Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической и немедленно прекращает свое существование в других состояниях, кроме того, в котором была замечена. Такой вывод нашел своих противников (вспомните знаменитое эйнштейновское «Бог не играет в кости»), но точность расчетов и предсказаний все же возымели свое.

Тем не менее число сторонников Копенгагенской интерпретации снижается, и главной причиной этого является таинственный мгновенный коллапс волновой функции в ходе эксперимента. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедным котиком должен продемонстрировать абсурдность этого явления. Давайте вспомним детали.

Внутри черного ящика сидит черный кот и вместе с ним флакон с ядом и механизм, который может высвободить яд случайным образом. Например, радиоактивный атом во время распада может разбить пузырек. Точное время распада атома неизвестно. Известен только период полураспада, в течение которого распад происходит с вероятностью 50%.

Очевидно, что для внешнего наблюдателя кот внутри коробки находится в двух состояниях: он либо жив, если все пошло хорошо, либо мертв, если распад произошел и флакон разбился. Оба этих состояния описываются волновой функцией кота, которая меняется с течением времени.

Чем больше времени прошло, тем больше вероятность того, что радиоактивный распад случился. Но как только мы открываем коробку, волновая функция коллапсирует, и мы сразу же видим результаты этого бесчеловечного эксперимента.

На самом деле, пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет бесконечно балансировать между жизнью и смертью, или будет одновременно жив и мертв. Его судьба может быть определена только в результате действий наблюдателя. На этот абсурд и указал Шредингер.

1. Дифракция электронов

Дифракция электронов

Согласно опросу знаменитых физиков, проведенному The New York Times, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Какова его природа? Существует источник, который излучает пучок электронов на светочувствительный экран. И есть препятствие на пути этих электронов, медная пластина с двумя щелями.

Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).

Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним — даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.

Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.

Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.

2. Подогретые фуллерены

Фуллерены

Эксперименты по дифракции частиц проводились не только с электронами, но и другими, гораздо более крупными объектами. Например, использовались фуллерены, большие и закрытые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Недавно группа ученых из Венского университета под руководством профессора Цайлингера пыталась включить элемент наблюдения в эти эксперименты. Чтобы сделать это, они облучали движущиеся молекулы фуллеренов лазерными лучами. Затем, нагретые внешним источником, молекулы начинали светиться и неизбежно отображать свое присутствие для наблюдателя.

Вместе с этим нововведением изменилось и поведение молекул. До начала такого всеобъемлющего наблюдения фуллерены довольно успешно избегали препятствия (проявляя волновые свойства), аналогично предыдущему примеру с электронами, попадающими на экран. Но с присутствием наблюдателя фуллерены стали вести себя как совершенно законопослушные физические частицы.

3. Охлаждающее измерение

Старые микроскопы

Одним из самых известных законов в мире квантовой физики является принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно определить скорость и положение квантового объекта одновременно. Чем точнее мы измеряем импульс частицы, тем менее точно мы можем измерить ее позицию. Однако в нашем макроскопическом реальном мире обоснованность квантовых законов, действующих на крошечные частицы, обычно остается незамеченной.

Недавние эксперименты профессора Шваба из США вносят весьма ценный вклад в эту область. Квантовые эффекты в этих экспериментах были продемонстрированы не на уровне электронов или молекул фуллеренов (примерный диаметр которых составляет 1 нм), а на более крупных объектах, крошечной алюминиевой ленте. Эта лента была зафиксирована с обеих сторон так, чтобы ее середина находилась в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом было помещено устройство, способное точно записывать положение ленты. В результате эксперимента обнаружилось несколько интересных вещей. Во-первых, любое измерение, связанное с положением объекта, и наблюдение за лентой влияло на нее, после каждого измерения положение ленты изменялось.

Экспериментаторы определили координаты ленты с высокой точностью, и таким образом, в соответствии с принципом Гейзенберга, изменили ее скорость, а значит и последующее положение. Во-вторых, что было довольно неожиданным, некоторые измерения привели к охлаждению ленты. Таким образом, наблюдатель может изменить физические характеристики объектов одним своим присутствием.

4. Замерзающие частицы

Молекулы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с котами, но и сами по себе. Каждая частица имеет средний срок жизни, который, как выясняется, может увеличиться под бдительным оком наблюдателя. Этот квантовый эффект был предсказан еще в 60-х годах, а его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной группой под руководством нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучался распад нестабильных возбужденных атомов рубидия. Сразу после подготовки системы атомы возбуждались с помощью лазерного луча. Наблюдение проходило в двух режимах: непрерывном (система постоянно подвергалась небольшим световым импульсам) и импульсном (система время от времени облучалась более мощными импульсами).

Полученные результаты полностью соответствовали теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их в исходное состояние, которое далеко от состояния распада. Величина этого эффекта также совпадала с прогнозами. Максимальный срок существования нестабильных возбужденных атомов рубидия увеличивался в 30 раз.

5. Квантовая механика и сознание

Квантовое сознание

Электроны и фуллерены перестают показывать свои волновые свойства, алюминиевые пластинки остывают, а нестабильные частицы замедляют свой распад. Бдительное око наблюдателя буквально меняет мир. Почему это не может быть доказательством причастности наших умов к работе мира? Возможно, Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийский физик, лауреат Нобелевской премии, пионер квантовой механики) были правы, в конце концов, когда заявили, что законы физики и сознания следует рассматривать как дополняющие одно другое?

Мы находимся в одном шаге от признания того, что мир вокруг нас — просто иллюзорный продукт нашего разума. Идея страшная и заманчивая. Давайте попробуем снова обратиться к физикам. Особенно в последние годы, когда все меньше и меньше людей верят Копенгагенской интерпретации квантовой механики с ее загадочными коллапсами волновой функции, обращаясь к более приземленной и надежной декогеренции.

Дело в том, что во всех этих экспериментах с наблюдениями экспериментаторы неизбежно влияли на систему. Они зажигали ее с помощью лазера и устанавливали измерительные приборы. Их объединял важный принцип: вы не можете наблюдать за системой или измерять ее свойства, не взаимодействуя с ней. Любое взаимодействие есть процесс модификации свойств. Особенно когда крошечная квантовая система подвергается воздействию колоссальных квантовых объектов. Некий вечно нейтральный буддист-наблюдатель невозможен в принципе. И здесь в игру вступает термин «декогеренция», который является необратимым с точки зрения термодинамики: квантовые свойства системы меняются при взаимодействии с другой крупной системой.

Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои первоначальные свойства и становится классической, словно «подчиняясь» крупной системе. Это объясняет и парадокс кота Шредингера: кот — это слишком большая система, поэтому ее нельзя изолировать от остального мира. Сама конструкция этого мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, если допустить реальность акта творения сознанием, декогеренция представляется гораздо более удобным подходом. Возможно, даже слишком удобным. При таком подходе весь классический мир становится одним большим следствием декогеренции. И как заявил автор одной из самых известных книг в этой области, такой подход логически приводит к заявлениям типа «в мире нет частиц» или «нет времени на фундаментальном уровне».

В чем правда: в создателе-наблюдателе или мощной декогеренции? Нам нужно выбрать между двух зол. Тем не менее ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты — проявление наших психических процессов. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.

По материалам topinfopost.com

Пять квантовых экспериментов, демонстрирующих иллюзорность реальности

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

30 комментариев

  1. SithV

    первый эксперимент называется Young double slit experiment, там монохромный свет пускают через 2 щели, а на картинке изображены кольца Ньютона, возникающие в выпуклых линзах при попадании монохромного света.. ненавязчивый намек на замену картинки)) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. lagresse

    Значит наблюдение на уровне квантов не возможно без влияния на них? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  3. TheSaW

    Жесть (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  4. igorgreengor

    Ну это имеет место... Я всегда это знал... Находясь в этом пространстве и времени своим присутствием мы влияем на поведение всех элементов. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  5. storm X

    Котэ Шрендингэ.... Мертв/не мертв (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  6. zzz7

    Взаимодействие наблюдателя и наблюдаемого-есть воздействие наблюдателя над наблюдаемым.Ок-а как же быть тогда над обратным воздействием-как меняться наблюдатель благодаря наблюдаемому объекту?))Кто-нибудь хотя бы просто задумывался над этим? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  7. Alec

    Я так понимаю весь текст можно заменить на "мысли материальны"? С котом не понравилось. Сдох он или нет от наблюдателя не зависит. Просто чувак не в курсе. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • array

      Шрёдингер для этого и предложил этот мысленный эксперимент, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

  8. Nauryzzz

    ALEC полностью согласен в случае с котом. Почему одновременно мертв/не мертв? Открыл узнал...

    • MITKA

      В том то и дело! что "Открыл - узнал". Пока коробка закрыта, ты не знаешь что с котом ;) Если бы тебе сказали, что в коробку положили красный или синий шар, то в коробке будет лежать именно тот шар, который туда положили, хоть ты и не знаешь какой! А тут ситуация зависит от случайного события, не зависящего ни от кого, поэтому кот жив и мертв одновременно, до той поры пока не откроешь крышку:)

  9. Megard

    Наблюдатель может воздействовать не только на квантовом уровне, несколько лет назад была большая статья на эту тему, больше всего запомнился эксперимент с шариками пин-понга и иглой на которую они падали, пока наблюдателя не было распределение было в пределах 50\50, когда садили наблюдателя и он начинал страстно желать падения шариков влево или вправо было зафиксировано четкое отключение от обычных 50\50 и повторяли эксперимент не один десяток раз.

    • MITKA

      При подбрасывании монеты, в какой то момент времени можно получить 9 орлов и 1 решку, а совпадет ли твое "желание" с этим событием как раз 50/50 ;) ТерВера, что ли не было?

  10. Protocol

    Я уже думал над этим и пришел к выводу, что мы ни чего не решаем (у нас нет выбора). Значит я должен написать это сообщение и опубликовать его и не иначе, именно этот текст. Тот кто читает этот текст, в жизнь того я вношу изменения. А также прочитав уже опубликованные комментарии к статье и саму статью я в корне поменял свою жизнь, не осознавая этого.

  11. budunov

    Наблюдение происходит в физическом мире, это часть физического мира. Квантовая механика - сильнейшая материалистическая теория. Почему-то все популяризаторы интерпретируют наблюдение метафизически. К примеру, чтобы наблюдать в темной комнате стул нужно направить на него свет (т.е. поток фотонов, частиц). В случае с квантовой механикой дело обстоит так же: наблюдение есть не абстрактное созерцание, а реальное физическое взаимодействие. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  12. vassa

    "Очевидно, что для внешнего наблюдателя кот внутри коробки находится в двух состояниях: он либо жив, если все пошло хорошо, либо мертв, если распад произошел и флакон разбился."
    "На самом деле, пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет бесконечно балансировать между жизнью и смертью, или будет одновременно жив и мертв. Его судьба может быть определена только в результате действий наблюдателя."
    ========
    Бредовое утверждение лишенное всякой логики.
    Кот в коробке не может находиться в ДВУХ состояниях, он либо жив либо мертв, одно из двух, а не в ДВУХ.
    Каким дауном на быть чтобы утверждать что судьба кота зависит от наблюдателя, а не от момента высвобождения отравы. Наблюдатель всего лишь способен с определенной долей вероятности предсказать состояние кота.

    • MITKA

      Судьба кота не зависит от наблюдателя напрямую, она зависит от "вероятности распада атома, разбившего сосуд с ядом". А вот результат ты увидишь только открыв коробку, чем и прекратишь этот эксперимент.
      "Каким дауном на быть..." - тут я с вами не соглашусь, глупо что то высмеивать, если не в состоянии понять суть дела. Эрвин Шредингер отнюдь не "даун" как вы выразились, а вот по поводу вас все не так однозначно :D

  13. farwaterbsg

    Тоже не удачный пример. Кот не может балансировать. Он умер или не умер и это состояние не изменится с течением времени. Не знание факта смерти или жизни кота никак не влияет на его состояние, так как оно взаимно не обратимо.

    • MITKA

      "так как оно взаимно не обратимо" - почему же? Если ты видел как в коробку кладут живого/дохлого кота, то ты 100% при открытии коробки будешь знать живой он или мертв.

    • Илья Хель

      Он не может балансировать в классической системе. А вот атом в состоянии полураспада еще как может, в этом и парадокс. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  14. Maks Mentol

    Печально, когда люди, не имеющие основные знания в физике, пишут о ней...
    Автору выговор.)))))
    Удалите этот коммент, но примите пожалуйста к сведению.

  15. Megotrend

    Наблюдая за фуллереном в воде он становится фулеренолом (углерод полигидроксилированный), и меняет цвет с графитового на пурпурный -загляденье!
    Индикатор внимания такой))

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.