Iluminat

При резком уменьшении объёма газа, он нагревается. С точки зрения термодинамики, над газом совершили работу, и затраченная на сжатие газа энергия перешла в его внутреннюю энергию, то есть на увеличение его температуры. При резком расширении процесс обратный - температура газа уменьшается. Термодинамика говорит нам, что газ потратил свою энергию на увеличение объема и совершение работы.

Обычный советский... есть в каждом доме...

Каждый холодильник состоит из двух устройств - одно для сжатия газа, другое для последующего его расширения. Компрессор сжимает газ, увеличивая его давление и температуру. Окружающая среда охлаждает сжатый газ, поэтому задняя сторона холодильника горячая. Газ под повышенным давлением проходит капилляр, попадает в область с давлением меньше, расширяется и охлаждается. Охлаждённый газ проходит по площади холодильной камеры, забирает тепло у продуктов и нагревается сам. После попадает в компрессор, и цикл повторяется снова.

На примере холодильника видно, что мы отлично умеем охлаждать газ, а с его помощью охлаждать всё остальное. Если мы из вышеописанной схемы выкинем холодильную камеру и контакт с окружающей средой, оставим только компрессор и капилляр, подберём степени сжатия и расширения так, чтобы газ больше охлаждался, чем нагревался, то получим машину для дросселирования. То есть, с каждым циклом температура газа будет уменьшаться. Альтернативный и более продуктивный подход по снижению температуры газа - это заставить его постоянно совершать работу.

Схема работы детандера, утащенная из Википедии

То есть, мы можем в цикле охлаждать газ всё больше и больше. Где же предел такого охлаждения? Пока газ не превратится в жидкость. К счастью, для большинства задач этого достаточно. Так температура кипения гелия 4.2 Кельвин (-269 градусов Цельсия) - самая низкая из газов. После сжижения гелий переливается в сосуд Дьюара (большой и очень качественный термос). Исследуемый образец погружается в гелий и охлаждается, также, как курочка в холодильнике.

Но что делать, если хочется температуру ещё ниже, но у нас уже жидкость? На помощь вновь приходит термодинамика. Многие помнят задачу о том, почему нельзя сварить яйцо на вершине Эвереста. Ответ: потому что при понижении давления температура кипения уменьшается, и на вершине Эвереста она будет 69 градусов Цельсия. Также мы вспоминаем, что при кипении энергия тратится - она уходит на преодоление частицей жидкости притяжения других частиц. Вооружившись этим знанием, мы возвращаемся к жидкому гелию. Если уменьшить давление, то гелий будет кипеть при меньшей температуре. Берём откачную вставку и помещаем в неё образец, один конец прикрепляем к насосу, создающему пониженное давление, а другой конец с капилляром помещаем в жидкий гелий - гелий проходит через капилляр, попадает в область с пониженным давлением, становится газом при температуре 1.5 Кельвин (-272 градуса по Цельсию). Это температура уже ниже той, которую принято считать температурой космоса.

Сосуд Дьюара, откачная вставка и ассистент преподавателя, объясняющий для чего это.

Но что делать, если мы хотим температуру ещё ниже? Тут уже обычным гелием не обойтись, нам понадобится его изотоп гелий-3. В отличии от стандартного гелия-4, у которого 2 протона и 2 нейтрона в ядре атома, у гелия-3 в ядре 2 протона и только 1 нейтрон. Из-за меньшей плотности возможно опустить температуру такого газа до значений в 0.15 Кельвин (-273.05 по Цельсию). Минусом является малая распространённость гелия-3 в окружающем мире, что приводит к необходимости его синтезирования искусственно.

RIP Чимс... Ты навеки в наших мемах

Гелием-3 и гелием-4 заправляют криостаты замкнутого цикла, чей принцип работы в общих чертах схож принципом работы холодильника. Такие криостаты уменьшают расход гелия, так как он меньше испаряется в окружающее пространство, в отличии от сосудов Дьюара. Такая техника уже является профессиональной и стоит весьма ощутимо. Более того, обычно цена предоставляется по запросу, так как криостаты для лабораторий делаются индивидуально исходя из необходимых характеристик.

Но что делать, если...

Придётся врубить термодинамику на максимум. При низких температурах смесь из гелия-4 и гелия-3 разделяется на 2 фазы - то есть гелий-3 обладает одними свойствами, а гелий-4 немного другими из-за разных плотностей, критических температур и других параметров. Это можно сравнить со спиртом и водой: при комнатной температуре оба вещества находятся в жидкой фазе и растворены друг в друге, но при понижении температуры вода замерзает при больших значениях, и два вещества разделяются, так как в разных фазах. Чтобы гелий-3 прошёл через гелий-4 нужно затратить энергию, и если мы заставим гелий-3 непрерывно течь через гелий-4, последний будет терять энергию, то есть охлаждаться. Так можно достичь температуры 0.01 Кельвин - навряд ли во вселенной существует место, где естественным образом возникла такая низкая температура. Такие рефрежираторы растворения ещё более редки и дороги, чем криостаты замкнутого цикла. Наиболее известные и ставшие уже почти нарицательными - BlueForce. Не реклама, потому что навряд ли у кого-то хватит средств его купить и места его разместить.

Но что делать...

В этом случае термодинамикой уже не справиться, потому что она рассматривает совокупность частиц газа. Если же мы действительно хотим более низких температур, мы должны действовать с одиночными атомами. Вспомним прошлые посты, где мы говорили про уровни энергии электрона или атома. Чтобы частица поднялась на уровень выше, она должна получить энергию, чтобы опустилась на уровень ниже, энергию она должна отдать. Мы можем манипулировать этим принципом следующим образом: при облучении атома он поднимается на уровень выше, откуда может спуститься на предыдущий уровень или на уровень меньше предыдущего, тем самым испуская фотон с большей энергией и охлаждаясь. Данный процесс вероятностный, то есть происходит не при каждом поглощении фотона, но экспериментаторы терпеливо ждут результата. Он получил название "сизифово охлаждение", потому что поднимаясь на уровень выше, атом падает ещё ниже, чем был. Таким образом можно достичь температур в 0.00001 Кельвин. Конечно, насколько понятие "температура" применимо к одиночному атому - это вопрос терминологии.

Этот мем ещё никогда не был так актуален.

Опустившись на самое дно температурной шкалы, мы можем оценить насколько сложный и увлекательный путь прошли технологии за какие-то пару сотен лет.

Руки-то помнят...

Сначала мы заполняем нижние уровни, потом уровни повыше и так далее. Частицы стремятся в состояние с наименьшей энергией, а чем ближе к ядру, тем меньше энергии нужно, чтобы там остаться. Можно сравнить с полётами в космос: чтобы просто стоять на Земле, никакой энергии не нужно; чтобы выйти на орбиту вокруг Земли, нужна кинетическая энергия, то есть нужно разогнать тело до минимальной скорости; чтобы улететь куда-нибудь в Солнечной системе, энергии нужно больше, то есть скорость должна быть выше.

Но постойте - это же 8 класс химии, где тут квантовая механика? Квантовая механика говорит нам, что электрон может подняться на уровень повыше, если поглотит квант энергии, или скатиться ниже, если квант энергии отдаст. Причём, чем больше энергии будет у фотона, тем на более высокий уровень может подняться электрон. Фиолетовое излучение обладает большей энергией, чем красное, поэтому поглощение такого фотона отправит электрон на уровень выше, чем поглощение красного. Верно и обратное - чем ниже электрон скатится, тем больше энергии будет у фотона. Уровень электрона, ниже которого он уже упасть не может, называется основным уровнем, а все уровни с большей энергией - возбуждёнными.

Все фотоны отправляются в horny jail

Более того, квантовая механика говорит нам, что не каждый фотон может быть поглощён. Если энергетического уровня, куда может прыгнуть электрон, для данного атома нет, то такой фотон не будет поглощён электроном. Фотон, так как является квантом электромагнитной волны, всё ещё может взаимодействовать с электрическим полем электрона с изменением своей энергии. Или с атомами и молекулами в целом, если они значительно меньше его длины волны, без изменения своей энергии. Всё это приводит к рассеянию излучения, то есть изменению траектории фотона.

Вышеописанное верно для одинокого сферического атома в вакууме. Однако, реальный мир устроен несколько сложнее. Когда несколько атомов собираются вместе, они начинают влиять друг на друга своими электромагнитными полями, что приводит к увеличению числа энергетических уровней. Когда атомом становится слишком много и близко друг к другу (как в реальном теле), отличить один уровень от другого практически невозможно, и их называют зонами. Те зоны, где никаких электронов нет и быть не может, называются запрещёнными.

Научные сотрудники поздравляют друг друга с успешным завершением долгого эксперимента.

Также из-за усложнения системы, электрон может потратить энергию не на генерацию фотона, а на взаимодействие с другими электронами, своим или соседним ядром, если этот вариант допустим с точки зрения распределения энергии. Это позволит увеличить энергию движения атома, то есть температуру тела.

Резюмируя:

• фотон может быть поглощён веществом, а затем излучён;

• фотон может быть поглощён веществом, и его энергия перейдёт телу;

• фотон не может быть поглощён;

• фотон будет рассеян на атоме или молекуле.

Конечно, эти процессы могут происходить в одном теле одновременно, так как оно не состоит из атомов одного типа, равномерно распределённых в пространстве, или не происходить вовсе, если фотон на своём пути не встретил ни одного атома из-за малой плотности вещества или его малой толщины. Тем не менее, этих знаний будет достаточно, чтобы ответить на вопросы из начала поста.

• Если фотоны не поглощаются и слабо рассеиваются, то такое вещество будет прозрачным. Например, стекло прозрачное в видимом диапазоне, так как вещество не может поглотить фотоны с такой энергией, но поглощает излучение, например, в ультрафиолетовом диапазоне. Причём, можно заметить, что чем толще стекло, тем более размытое изображение за ним, точно также, как размыты дальние объекты в воздухе. Это означает, что стекло, как и воздух, слабо рассеивает излучение. В пользу этого также говорит возможность использовать даже оконное стекло, как зеркало, если за ним что-то поглощающее (тёмный двор, например) - часть рассеянных фотонов долетает обратно к нам, и мы можем их увидеть на контрасте с тёмным фоном.

• Если фотоны поглощаются, но часть энергии уходит телу, а часть излучается, то такое вещество будет иметь цвет тех фотонов, которые излучаются. Зелёное яблоко поглощает все фотоны, но излучает только зелёные, энергия остальных остаётся у яблока, нагревая его. Чем меньше диапазон излучённых длин волн, тем насыщеннее будет цвет.

• Если фотоны всех длин волн поглощаются, и их энергия полностью остаётся у тела, то такое вещество будет чёрным. Именно поэтому чёрные вещи быстрее нагреваются на солнце, потому что они не могут излучить энергию обратно. Самоё чёрное вещество поглощает 99.965% всего излучения за счёт своей структуры преобразуя всю энергию фотонов в тепло.

• Если же фотоны всех длин волн поглощаются и излучаются, то такое вещество будет белым. Причём, стоит различать "белое" и "зеркальное", вспоминая про рассеяние на малых объектах. Чем более однородная структура поверхности вещества, тем больше направленного рассеяния будет, тем более зеркальная будет поверхность. Так, например, срез металла в большей степени белый, так как у металлов много энергетических уровней, и они могут излучать широкий спектр фотонов, и блестящий из-за рассеяния на хаотичных неровностях. При шлифовке поверхности, она становится более однородной, рассеяние лучше направлено, металл становится отражающим.

Надеюсь, эта тема окажется более интересна и применима к реальности.

Его боялись даже врачи...

Если у вас спросят "яблоко зелёное или твёрдое?", вы поймёте боль физиков с вопросом о том, волной или частицей является объект. Если на яблоко смотреть, то оно зелёное. Если яблоко трогать, то оно твёрдое. Это очевидный ответ, показывающий, как важен контекст измерения. Если мы описываем взаимодействие фотона с веществом (поглощение или испускание), то мы говорим, что фотон рассматривается как частица, потому что с этой точки зрения очень удобно и легко делать расчёты и предсказания, которые потом проверяются на практике. Если мы описываем движение фотона (прохождение через две щели сразу, усиление или ослабление света), то фотон рассматривается как волна, потому что, опять же, с этой точки зрения удобно и легко делать предсказания и объяснять наблюдения.

Это получило название "корпускулярно-волновой дуализм" и означает то, что разные свойства объекта (в нашем случае фотона) проявляются в зависимости от конкретных условий. Сам же квантовый объект всегда находится в суперпозиции состояний - он всегда и частица, и волна. Точно также как яблоко всегда и зелёное, и твёрдое. Наши манипуляции и измерения позволяют только проявить какое-либо его свойство.

Поляризация

Для перехода непосредственно к квантовым ластикам необходимо рассмотреть такое свойство волны, как поляризация. Конечно, концепция эксперимента подразумевает, что мы можем использовать любое свойство, но поляризация наиболее удобная для понимания и проведения эксперимента.

Так как квантовый объект в любом случае может рассматриваться как волна, то мы можем выделить у этой волны ориентацию в пространстве. У хорошего годного электромагнитного излучения поляризация линейная, то есть электрическая и магнитная компоненты колеблются на одной линии (на картинке левая часть - горизонтальная и вертикальная линейные поляризации вверху и внизу). У менее хорошего излучения, электрическая и магнитная компоненты колеблются по окружности, как показано на рисунке в правой части. Причём, это может быть как в левую сторону, так и в правую сторону, образуя в пространстве левую или правую спирали. У совсем плохого естественного света есть все возможные направления колебаний, то есть там множество волн (множество фотонов), среди которых колебания закручены в разные стороны (если она круговая), у других под разными углами (если они линейные), у третьих в разные стороны и в разные углы (если она является смесью - эллиптическая поляризацией) и так далее.

Поляризация крутится - наука мутится

Экспериментально мы можем фильтровать только нужную поляризацию, как, например, в 3D-кинотеатрах на данный момент, где для одного глаза фильтруется горизонтальная поляризация, а для другого вертикальная. Также мы можем, превращать одну поляризацию в другую с помощью волновых пластинок. Мы можем повернуть её на любой угол, если она линейная, или превратить линейную в круговую, а круговую в линейную.

Квантовый ластик

Когда стало ясно, что такое фотон, и что мы можем с ним делать, пришло время экспериментов. Во-первых, нам нужны не просто фотоны, а запутанные фотоны, то есть имеющие некую связь друг с другом, когда влияние на одного передаётся на другой. Для этого, в случае фотонов, используют спонтанное параметрическое рассеяние. Это процесс, когда один фотон раскалывается на 2. При этом законы сохранения энергии и импульса соблюдаются, а значит, если мы знаем энергию и импульс оригинально фотона, а также определили энергию и импульс одного из сгенерированных фотонов, мы легко можем подсчитать энергию и импульс другого сгенерированного фотона. То есть, между ними образуется связь, где зная состояние одного, мы можем узнать состояние другого. Один из получившихся фотонов называется "сигнальный", потому что будет использован, как сигнал экспериментатору о генерации пары, а другой "холостой", потому что в эксперименте по генерации он не сигнализирует ни о чём.

Жизненные пути после выпуска: один холостой и довольный, другой посылает какие-то сигналы незаметно от партнёра.

После получения квантовой запутанности мы можем провести двухщелевой эксперимент с одним из фотонов, чтобы пронаблюдать ожидаемую интерференционную картинку, когда фотон интерферирует сам с собой.

Один из фотонов даже не подозревает, насколько он окажется важным

Однако, мы снова задаёмся вопросом: если фотон является также и частицей, то через какую из щелей он пройдёт? И для определения мы решаем пойти на хитрость, так как уже знаем, что любая прямая попытка измерения в щели разрушит все квантовые состояния, и мы ничего не увидим. Поэтому мы не будем ставить детектор - вместо этого мы поставим волновые пластинки в каждой щели, чтобы не измерять сразу, а промаркировать фотоны для измерения в дальнейшем.

Поляризация фотона линейная, и мы можем превратить её в круговую. В одну щель мы поставим пластинку, которая сделает левую круговую, а в другую - правую. Это возможно, потому что волновая пластинка делает круговую поляризацию с направлением, зависящим от ориентации падающей линейной: например, делает левую круговую из вертикальной линейной, и правую круговую из горизонтальной линейной. Для одной щели берём пластинку как есть, а для другой - поворачиваем её на 90 градусов.

Теперь после щелей мы можем посмотреть на поляризацию фотона и сказать, через какую щель он прошёл. Однако, обмануть законы физики нам не удаётся - как только мы ставим пластинки и получаем возможность определить щель, через которую прошёл фотон, интерференционная картина пропадает.

Из-за малых размеров щелей, на экране будет одно пятно, а не два.

Недовольные данным эффектом, мы решаемся "стереть" информацию о том, через какую щель прошёл фотон. Однако, нам не хочется вмешиваться в уже сделанный эксперимент с двумя щелями, поэтому мы будем влиять на второй запутанный фотон, который до этого просто улетал. Для этого мы поворачиваем его поляризацию (например, на 45 градусов), что также поворачивает поляризацию фотона, готового пройти через щели. Тогда независимо от щели и от ориентации пластинки, превращающей линейную поляризацию в круговую, в каждой щели будет как левая так и правая круговые поляризации. Теперь мы не сможем узнать, через какую щель прошёл фотон, но зато интерференционная картинка восстанавливается.

Квантовым ластиком мы стёрли информацию о том, в какую щель пролетел фотон до его пролёта через эти щели.

Для интерференции у фотонов должна быть одинаковая поляризация, когда мы делаем её различной, чтобы определить щель, интерференция пропадает. Когда же мы снова её делаем одинаково смешанной для двух щелей, интерференция появляется.

Казалось бы, всё логично и просто. Но недаром квантовый ластик носит такое название - он оказался не так прост. С его помощью можно стирать информацию не только до пролёта через щели, но и после. То есть, мы можем промаркировать фотоны направление круговой поляризации и сразу измерить - тогда мы не увидим интерференции. Но если вместо измерения мы поменяем угол поляризации спутанного фотона, то сотрём информацию о прохождении щели, через дальнее взаимодействие поляризации фотонов изменятся, и тогда мы увидим интерференционную картину.

Вкинув очки навыка в ветку квантовой оптики мы можем манипулировать временем.

То есть, квантовым ластиком называют процесс стирания информации о том, через какую щель прошёл фотон, причём не зависимо, прошёл ли уже фотон через щель или ещё нет. Если сразу после щелей мы могли сказать, через какую из них прошёл фотон, то после стирания информации, уже не можем.

Значит ли это, что применение квантового ластика изменило прошлое? Если в начале фотон вёл себя как частица и пролетел только через одну щель, то после применения ластика он вернулся в прошлое, стал вести себя как волна, и прошёл через обе щели сразу? Тут стоит вернуться в начало поста и вспомнить принцип суперпозиции - фотон всегда и частица, и волна. Для того, чтобы проявилось его волновое свойство не нужно возвращаться в прошлое, нужно просто поставить эксперимент, в котором волновое свойство будет проявляться. Так что путешествия во времени отменяются...

Квантовый ластик с отложенным выбором

В предыдущем пункте квантовый ластик действовал на фотоны до их попадания на экран, то есть до их детектирования. Как уже обсуждалось, детектирования удаляет все квантовые свойства и заставляет фотоны перейти в одно из возможных состояний: именно после детектирования мы знаем, проявлялись ли свойства частицы, или свойства волны.

Вернёмся на шаг назад, когда поставили пластинки, промаркировали фотоны и не увидели интерференции. Глубоко опечаленные отсутствием тёмных и светлых полос на экране, мы понимаем, что прошлого не изменить. Или же изменить? В чём была причина отсутствия интерференции? В том, что мы различали фотоны из двух щелей по их разным направлениям поляризации, так почему бы нам не стереть это знание уже после получения результата?

Заменим наш экран для наблюдения результата эксперимента на массив детекторов, которые могут не только сообщать о координате падения фотона, но и способны определять направление его круговой поляризации. Проведём эксперимент ещё раз, пронаблюдаем отсутствие интерференционной картины и сохраним данные для последующей обработки.

Наша задача - вновь сделать фотоны одинаковыми, то есть удалить различия в направлении круговой поляризации. Мы поступаем просто - у фотонов только 2 направления круговой поляризации, поэтому мы разделим все полученные данные на 2 кучи - с правой и левой поляризациями. А после построим получившиеся распределения.

Теперь мы сами определяем реальность...

С удивлением мы обнаруживаем, что в каждой выбранной группе интерференционные полосы вернулись. То есть, стерев различия между фотонами уже после их детектирования мы получили интерференционную картину. Это и есть квантовый ластик с отложенным выбором, когда мы стираем информацию уже после проведения эксперимента.

Означает ли это, что из-за наших действий прошлое изменилось именно так, чтобы мы в будущем смогли наблюдать интерференционную картину? Конечно, нет. На данный момент ещё ни в одном эксперименте не удалось нарушить причинно-следственную связь. К тому же, мы отчётливо помним и храним доказательства того, что интерференционной картины не было. Тогда в чём же дело?

Дело в нашем понимании двойственной природы квантовых объектов. Фотон не выбирает в каждый момент времени, быть ему частицей или волной, он всегда и частица, и волна. Он проходит через одну щель, как частица, и проходит через две щели, как волна, одновременно. Он проходит через волновую пластинку как волна, интерферирует сам с собой как волна, и поглощается детектором как частица. Фотон в любом случае интерферирует сам с собой, но так как у нас было 2 состояния, полученные интерференционные картины накладываются друг на друга, что в итоге даёт одно пятно без полосок, так как все минимумы одной волны компенсируются максимумами другой.

Не смотря на то, что квантовый ластик с отложенным выбором не дал нам возможности изменить прошлое, он позволил нам углубить понимание квантовой природы и важности интерпретации полученных экспериментальных данных.

Надеюсь, кто-то дочитает досюда. Кажется, я вхожу во вкус с длинными постами. И заметил, что Пикабу жёстко сжимает картинки. С этим можно что-то сделать?..

Сам механизм, а именно как передаётся факт разрыва связи, является предметом дискуссий и однозначно на данный момент не объяснён, что позволяет спекулировать на тему симуляции. Но по современным представлениям о науке, информация не может передаваться быстрее скорости света в вакууме, и многочисленные исследования показывают, что передача информации только с помощью квантовой запутанности невозможна - нам в любом случае нужно будет передать информацию о наших измерениях привычными методами. Это означает, что если симуляция всё же существует, физика в ней существенно отличается от нашей. Тогда возникает вопрос, почему эта другая физика просачивается внутрь симуляции? Неужели сверхразвитый программист реальности учёл все остальные аспекты своей модели, а здесь закрался баг?

Почему же оригинальная формулировка может ввести в заблуждение? Потому что изменение состояния одной частицы приводит к разрыву связи. То есть, нельзя сделать телеграф на двух запутанных электронах, где дёргая один из них, второй будет дёргаться в другую сторону независимо от расстояния. Так что этому парню пришлось бы придумывать другой способ пообщаться с Шепардом

Призрак прикидывает, хватит ли финансов Цербера для оплаты межзвёздного роуминга.

Бозон Хиггса и Антропная сложность

Эта два аргумента в сущности своей являются одним под названием "тонкая настройка вселенной". Это попытка объяснения удивительных совпадений всех физических условий для существования человечества. Действительно, если основные физические константы (гравитационную постоянную, скорость света, заряд электрона) изменить или некоторые частицы убрать вообще, то человечество не смогло бы выжить или даже зародиться, ведь в этом случае звёзды либо не сформировались бы, либо существовали бы слишком мало времени, чтобы жизнь на Земле смогла зародиться.

Моральную сторону утверждения, что кто-то создал вселенную именно для нас, можно обсудить в комментариях. С тонкой настройкой же видится пара-тройка проблем.

Во-первых, тонкая настройка не такая уж и тонкая. Как пишет в своей книге "The Fallacy of Fine-Tuning : Why the Universe Is Not Designed For Us" ("Заблуждения о тонкой настройке: почему Вселенная не создана для нас") Виктор Стенджер, возможны другие варианты вселенных с другими основными параметрами, где звёзды могли бы существовать достаточно долго для зарождения жизни. То есть, утверждение, что имеющийся у нас набор констант - единственный возможный, весьма опрометчиво.

Стенджер слушает истории о создании Вселенной специально для человечества.

Во-вторых, само определение жизни туманно. Мы может предполагать о существовании организмов на основе кремния, а не углерода как у нас - это возможно в нашей вселенной, но ни одного пока не нашли. То есть, условия возникновения жизни не означает, что она возникнет. Так и наоборот - отсутствие условий для жизни известной нам не означает, что жизнь другого типа не может возникнуть.

И в-третьих, утверждение "вселенная настроена для возникновения жизни, подобной нам" может быть перевёрнуто в "во вселенной с такими параметрами возникла жизнь, подобная нам". То есть, это не существование человечества является доказательством тонкой настройки, а параметры вселенной приводят к известной нам форме жизни. Перекликаясь с предыдущим пунктом, если бы параметры были иные, то жизнь могла бы быть иной.

Парадокс Ферми

Попытка ответить на вопрос "одни ли мы во вселенной" через одну спекулятивную историю с помощью другой спекулятивной истории.

Сам парадокс выглядит следующим образом:

С одной стороны, выдвигаются многочисленные и хорошо обоснованные аргументы за то, что во Вселенной должно существовать значительное количество технологически развитых цивилизаций. С другой стороны, отсутствуют какие-либо наблюдения, которые бы это подтверждали. Ситуация является парадоксальной и приводит к выводу, что или наше понимание природы, или наши наблюдения неполны и ошибочны. Как сказал Энрико Ферми: «Ну и где они в таком случае?»

Как можно заметить, этот "парадокс" требует некоторых допущений.

Во-первых, безапелляционное "должно существовать" основано только на том, что существуют звёзды, старше Солнца, с планетами, похожими на Землю. Почему у этих звёзд должны были образоваться цивилизации на тысячелетия раньше нашей? Почему эти цивилизации пошли по такому же пути развития, как мы? Почему они будут стремиться в космос, а не быть развитыми рыбами в океане или хипповать в объединении с природой? На Земле существуют виды, которые на миллионы лет древнее нас, но в космос они не полетели.

Представитель инопланетной цивилизации отвечает на вопрос "почему вы не выходите в космос с нами пообщаться?"

Во-вторых, отсутствие наблюдений объясняется огромными масштабами Вселенной. Рукав Ориона галактики Млечный путь, где мы обитаем, только в толщину 3500 световых лет. Мы же можем принимать и получать сигналы только последние 100 лет. За это время самые ранние радиопередачи, излучаемые Землёй образовывают сферу, которую невозможно заметить в масштабе одного рукава галактики, не говоря уже о всей галактике или Вселенной.

Также очень хорошо иллюстрирует принцип распространения сигналов в космосе недавний случай с Вояджером 2, когда была потеряна связь с зондом из-за изменения ориентации его антенны. Мы, зная точное местоположение зонда, не могли получать от него или отправлять ему сигналы (и уж тем более наблюдать его в телескопы). Так почему сигналы от каких-нибудь инопланетян мы сможем поймать, если для масштабов даже солнечной системы Земля - всего лишь точка? С Вояджером 2, кстати, всё разрешилось, когда врубили мощный сигнал в его сторону ("крикнули" с максимальной мощностью) и заставили развернуть антенну в сторону Земли.

То есть, инопланетяне, если они существуют, смогут послать нам чёткий сигнал только, если они знают, где мы находимся. А узнать они могут, только если мы сами пошлём сигнал в их сторону. Наше покорение космоса длится чуть больше полувека, но мы уже задаёмся вопросом, почему мы никого не встретили. Это как войти на 2 метра в тайгу и задаваться вопросом "а где все медведи? Я ни одного не вижу".

Вопрос о существовании жизни во вселенной, кроме нас, уже является интересным для обсуждения. Приплетание к нему симуляцию в качестве объяснения - это просто скучно.

Послесловие: как видно, 2 аргумента относятся к квантовой физике, что, я думаю, связано со слабой применимостью её к повседневному миру, повышенной сложностью и кажущейся нелогичностью. Это оставляет широкий простор для наукообразных толкований и соблазну объяснить всё простыми концепциями. 3 аргумента относятся к давно известным рассуждениям, которые никакого отношения к науке не имеют. Идея о симуляции окружающего мира ближе к философии древности, где важен не сам результат (даже если мы в симуляции - на что это повлияет? Выйти-то мы не можем), а процесс размышлений.

Спасибо за теплый приём и появившихся подписчиков. Я надеюсь и дальше писать что-то научнопопулярное.

Основная идея: наше познание мира ограничено нашими чувствами, и реальность может быть только тенью на своде пещеры. Чтобы познать мир полностью, из пещеры нужно выйти.

С развитием человечества, развивались наши знания о мире, а также о строении собственного тела. И когда мы выяснили, что мозг воспринимает информацию через электрические импульсы, то старая концепция заиграла новыми красками. Если наши чувства всё равно поступают в мозг в виде электрических сигналов, то может ли быть, что мозг, помещённый любопытным доктором в банку и подключённый к электродам, - это всё, что мы из себя представляем?

Основная идея: наше познание мира ограничено нашими субъективными ощущениями, и реальность может быть только парой электрических импульсов в наш мозг.

Про симуляцию уже известно из оригинального поста. И здесь можно увидеть закономерность: весь мир - это не объективная реальность, а что-то, созданное таинственными, могущественными и любопытными кем-то.

Интересные вопросы

Вопрос об объективности окружающего мира интересен как упражнение для ума, но он не научен. Само определение науки предполагает, что окружающий мир объективен и познаваем. Иначе весь смысл накопления и развития научного знания теряется, когда в любой момент некая сущность может изменить правила игры одним нажатием клавиши вселенского суперкомпьютера.

Но принимая правила игры, можно погрузиться в выбранную симуляцию чуть глубже:

1. Как можно доказать существование/отсутствие симуляции, находясь внутри неё?..

   Даже сам Нео не мог выбраться из Матрицы самостоятельно, как же нам познать систему, находясь внутри системы?

2. Если мир - симуляция, то кто её создал?

   Бог? Сверхразвитая цивилизация с непостижимыми способностями? Волшебник из страны Оз? Если мы не хотим вернуться к теологическим дебатам о существовании чего-то большего, нам понадобится более конкретный ответ на этот вопрос.

3. Если симуляция создана, то с какой целью?

   Как домашнее задание инопланетянина-школьника? Людьми будущего для изучения истории? Программист Вася, потому что ему скучно во время наблюдения за пространственно-временным континуумом? Это сродни вопросу "в чём смысл жизни?", что совсем не облегчает задачу.

4. Если мы в симуляции чего-то, значит будущее предопределено?

   Если симуляция запущена, у неё должен быть какой-то результат? Результат предопределён, и наблюдается лишь процесс? Будет ли влияния хаоса существенным?

5. Если мы в симуляции, то когда она запущена?

   Симуляция запущена мгновение назад, а наши воспоминания о прошлом - тоже часть симуляции? Или она уже длится миллиарды лет?

Вопросы к физике

В оригинальном посте задаются хорошие вопросы о явлениях, наблюдаемых в реальности. Только если ответ на них "это симуляция", то лучше бы никакого ответа не было. "Так хочет Бог" - совершенно равносильный ответ, работающий уже тысячи лет. Почему камни падают вниз, а шарик с гелием вверх? Это симуляция. Почему железо притягивается к магниту? Так симуляция же! С вопросами из школьного курса физики это звучит уже не так наукоёмко.

Теперь же вкратце и очень упрощённо (очень, на уровне школьной физики) разберёмся с первым приведённым аргументом: Двухщелевой опыт

В научно-популярных видео наблюдатель всегда изображается в виде глаза, пристально следящего за щелью.

К сожалению, экспериментальное оборудование, требующееся для такого опыта, несколько сложнее. Электрон, для которого этот опыт наиболее нагляден, не виден человеческому глазу, как в принципе и любому оптическому устройству из-за своих малых размеров.

Как же тогда удастся узнать, через какую щель пролетит электрон? Да ещё и с условием, что мы не можем его просто поймать - он должен упасть на экран по условиям эксперимента. Точно также, как слепые люди узнают, что асфальтированная дорожка кончилась и началась плитка, - по взаимодействию трости с поверхностью. Электроны отлично взаимодействуют с другими электронами или заряженными телами. Если помните школьный опыт с султанами, то именно это он и показывает - при получении заряда, лепестки султанов взаимодействуют друг с другом, при этом не касаясь и не теряя заряда:

По схожему принципу мы сможем узнать, через какую щель пролетит электрон. Это можно сравнить с рыбалкой - мы забрасываем пробный электрон возле одной из щелей и ждём поклёвки. Если через щель пролетает электрон, то он взаимодействует с пробным, что мы можем ощутить по натяжению лески.

Конечно, реальные приборы значительно сложнее, но принцип остаётся схожим - чтобы установить пролёт электрона через щель, этот электрон должен провзаимодействовать с измерительным прибором. Однако, если вспомнить третий закон Ньютона, наш прибор также взаимодействует с исследуемым электроном, а это уже влияет на результат эксперимента, а именно - на получаемую интерференционную картину.

Это означает, что "эффект наблюдателя" должен скорее называться "эффект измерителя". И данный эффект никак не связан с тем, будет ли человек смотреть на показания прибора, или не будет. Он связан с тем, влияем ли мы на электрон во время эксперимента или не влияем.

Если зайдёт, я также просто (или сложнее, если нужно) могу разобрать и другие "аргументы".