Квантовые чудеса. Часть 2. Наблюдение⁠⁠

Ну что, друзья, соскучились по забористой квантовой физике? Сегодня мы запилим такую тему, вникнув в которую, вы станете сведущими людьми в этой ихней науке, над вами больше не будут смеяться технари, а физики-теоретики перестанут вас обижать. Потому что отныне и вовек вы всегда сможете небрежно спросить хулиганов: ну, как там дела с декогеренцией волновой функции и что нового в доказательствах многомировой интерпретации?

Эта наша тема одна из самых сложных, поэтому всем новичкам строго рекомендуется почитать наши предыдущие лекции с картинками, особенно про кванты, материю и корпускулярно-волновой дуализм. Да и тем, кто нас внимательно читает, тоже не помешает освежить в голове знания, ибо грядет срыв простыней с самых головоломных квантовых парадоксов.

Неуместные картинки и искаженная подача информации, как обычно, нами гарантируются.

Итак, квантовые чудеса. Часть 2. Наблюдение квантовых событий.

Напомним, что в предыдущей теме мы разобрались с тем, что на элементарном уровне вещество представляет собой форму материи, которую не встретишь в макромире. А именно: материя является одновременно и частицей и волной. Причем, во втором случае квадрат высоты гребня такой волны является вероятностью нахождения частицы в определенном месте.

Продолжим насиловать собственный мозг и вернемся к модифицированному опыту Юнга, который нынче известен под названием "двущелевой эксперимент". Вспомним, как ученые стали пулять по двум щелям одиночными электронами и в итоге все равно получили интерференционную картинку.

Такая стрельба с большими интервалами времени, вызывающая медленное рисование полосатой картинки на экране, как бы намекает на то, что частица проходит через обе щели одновременно, то есть частица находится в один и тот же момент в разных местах.

Нахождение частицы в нескольких местах одновременно, или, если быть более точным, наличие у частицы одновременно нескольких состояний, физики называют квантовой суперпозицией. Квантовый объект (такой как атом, электрон, фотон, бозон и прочие) всегда до определенного события пребывает более чем в одном состоянии.

Таким образом, выпущенный из электронной пушки электрон находится в суперпозиции и находится в нескольких местах одновременно, имеет разную скорость, траекторию (есть вероятность, что он летит к нам через соседнюю галактику - вообще это Фейнман скорее пошутил, чем в самом деле так, но осадочек остался). С помощью формул Шредингера мы можем только посчитать вероятное значение этих параметров (пролет через другую галактику с отрицательной массой имеет маленькую вероятность, но-таки имеет), а вот точное их значение мы сможем получить только после измерения.

Это суровая квантовая реальность: узнать настоящие параметры частицы, можно лишь после измерения, при этом мы уничтожим суперпозицию – частица случайным образом выберет одно из возможных состояний. Сейчас мы расскажем об этом подробнее.

Мы с вами приходим к совершенно неприличному выводу о квантовом мире: чтобы узнать, какое состояние имеет частица, нам нужно ее измерить. Или, как говорят, яйцеголовые (а также всякие шарлатаны и "квантовые маги") – пронаблюдать.

Нагляднее всего проблему наблюдения частицы-кванта показывает пресловутый ролик из одного псевдонаучного фильма (полностью его смотреть не рекомендуется, потому что авторы претендуют на неподтвержденные наукой явления о материальности мысли и всякую ересь типа, как прийти к успеху, ничего не делая). Вот тут мы даем ссылку на этот пятиминутный ролик – пока еще никто более удачно не визуализировал загадку двущелевого эксперимента.

Для тех, у кого видео по разным причинам не показывает, расскажем своими словами. Ученые, балуясь с опытом Юнга, не в силах поверить, что частица одновременно пролетает через обе щели, решили доказать, что электрон пролетает через одну щель, а потом уже как-то интерферирует.

По сути говоря, они произвели "наблюдение" над частицей. Результаты двущелевого эксперимента навсегда похоронили надежду на то, что квантовую физику можно описать классическими методами.

Если закрыть обе щели пластинками-детекторами и выстрелить по ним электрончиком, то оный будет пойман пластинкой у одной щели (а не одновременно обеими пластинками) – это нормальное следствие того, что электрон весь такой неделимый, целостный, квант, твердая, понимаете ли, частица.

Теперь мы одну пластинку-детектор убираем, опять стреляем электроном и видим, что вторая пластинка ничего не зарегистрировала, значит, электрон пролетел через ту щель, которая без детектора. Но на экране сзади мы не увидим интерференционной картины. Электрон остался частицей – он как будто "узнал", что у второй щели его ждет засада и продолжил свой дальнейший путь в гордом одиночестве в виде частицы без всяких интерференций с самим собой.

Убираем обе пластинки, освобождаем щели – у нас снова интерференция, снова электрон пролетает через обе щели одновременно.

Важное примечание: описанный (а также показанный в ролике) опыт является умозрительным и упрощенным. На самом деле эксперимент технически более сложен и выполняется посредством всяких там рассеиваний электронов на атомах и т.д. и т.п.

Опыт с наблюдением окончательно заставил ученых признать, что классическая физика больше не идеальна, и во многих прикладных областях уже и не применима. Мировоззрение Лапласа, при котором все считается детерминированным, имеет причину и следствие от начала сотворения мира до его конца, также стало историей. Наступила новая эра непонимания законов природы, и, надо сказать, она еще до сих пор не закончилась.

Выяснилось, что наблюдение (измерение) влияет не только на местонахождение частицы в двущелевом опыте. В 1960 году физики (кстати, в СССР) предсказали, что наблюдение может влиять, например, на распад ядра атома – на ту самую радиоактивность. И в самом деле – в 2006-ом опыты подтвердили теорию – "наблюдение" замедляло распад атомов рубидия (неверящим гуглить "эксперимент Вольфганга Кеттерле" или почитать по этой ссылочке).

Еще раз напомним, что "наблюдение" это не значит просто смотреть. Это значит воздействовать на систему, чтобы получить обратную связь в виде результата: облучать чем-нибудь, светить фонариком, ставить препятствия, обстреливать электронами или протонами и т.д. Хотя существуют не только всякие фрики, но и уважаемые физики, считающие простое наблюдение актом сотворения реальности. Эйнштейн никак не мог согласиться с такими выводами и спрашивал, что ж это получается, если я не смотрю на Луну, значит ее нет?

Таким образом, квантовый объект до наблюдения находится в суперпозиции. Он описывается заумной волновой функцией, но как только мы проводим наблюдение, происходит коллапс этой функции, суперпозиция "схлопывается" в одно из возможных состояний.

Обывательский ум обязательно скажет, что это звучит невероятно и глупо. Так же решил тот самый Шрёдингер и в 1935 году, который, по его собственному мнению, удачно пошутил в одной из научных статей по физике.

Для примера абсурдности явления суперпозиции он взял свою кошку и произвел над ней мысленный эксперимент. Давайте, сказал, он поместим кошку в коробку, в которой находится радиоактивный атом. Этот нестабильный атом, как мы уже знаем, является квантовой системой, находящейся в суперпозиции (смешение состояний), и неизвестно, собирается ли атом распадаться или нет. Для чистоты эксперимента подбираем такой атом, вероятность распада которого в течение одного часа будет равна 50% .

В суперпозиции заключены одновременно два состояния, которые нас интересуют: распад ядра атома и его стабильность. Пусть для квантового мира это нормально - допустил хитрый Шрёдингер. Но теперь мы положим в коробку специальный механизм, состоящий из счетчика Гейгера и ядовитого газа. Если атом распадется, то счетчик Гейгера зарегистрирует радиоактивность, механизм разобьет ампулу с газом и кошак умрет.

Теперь самое смешное, заявил Шрёдингер, – если до открытия коробки (до проведения наблюдения) атом находится в суперпозиции, то значит и кошка находится в суперпозиции и описывается той же волновой функцией. Иначе говоря, кошка жива и мертва одновременно, пока мы не откроем коробку

Шутка Шрёдингера стала весьма популярной, нынче она известна как мем "Кот Шрёдингера", про который все говорят, но мало, кто понимает.

В то время как обычные люди строили империи, рейхи, воевали за господство над Европой, проводили коллективизацию и индустриализацию, ученые воевали между собой за "правильную" интерпретацию квантовой механики.

Самым популярным "объяснением" (включая настоящее время) считается копенгагенская интерпретация. Озвучил ее гений по имени Нильс Бор, который утер нос Эйнштейну, и в дом которого за заслуги перед наукой была проведена пивная труба с бесплатным свежим пивом (пожизненно) из соседнего пивзавода Carlsberg. Суть теории в том, что квантовые явления носят изначально вероятностный характер, и он принципиально не устраним. Вселенная это набор вероятностей, возможностей. Коллапс волновой функции происходит во время наблюдения, и квантовая система принимает случайным образом одно из состояний, а остальные варианты просто не реализуются. Копенгагенская теория не очень толково объясняет, что считать наблюдением и в общем случае полагается, что наблюдение происходит, когда мир классических объектов вмешивается в квантовый мир. То есть измеряем макроприборами микромир, и ничего мы с этим микромиром сделать не можем. Типа смиритесь, неудачники - работайте с тем, что есть.

Другую невероятную интерпретацию придумал американский физик Хью Эверетт III. Когда он приехал в Копенгаген показать свои идейки Бору, тот сказал, что идея глупая и отправил Эверетта восвояси. Однако интерпретация впоследствии оказалась разумнее, чем думалась Бору и нынче это вторая версия по популярности.

Смысл теории Эверетта в том, что приборы, производящие измерения тоже находятся в суперпозиции, но мы это не замечаем, потому что, как только происходит измерение, вселенная раздваивается ("расстраивается", "расчетверяется" и т.д.) на все возможные варианты развития событий. То есть когда ящик с котом открывается, начинается две новые интересные истории в параллельных вселенных: в одной кот жив, в другой мертв. Представьте, сколько квантовых событий происходит в мире ежесекундно, и сколько при этом рождается параллельных вселенных.

Поэтому теория называется многомировой интерпретацией.

А какие интересные следствия выходят из этих интерпретаций! Например, квантовое самоубийство. Это мысленный эксперимент с позиции кота Шрёдингера. Представим, что человек соорудил такое ружье, которое стреляет (или не стреляет) на основе механизма распада ядра атома. С точки зрения копенгагенской интерпретации распад атома таки случится через некоторое время, и человек умрет. А вот в многомировой интерпретации будет немного иная картина. Каждый раз при нажатии курка, вселенная будет раздваиваться, и всегда будет существовать версия человека, у которого ружье никогда не выстрелит, хотя для стороннего наблюдателя такой человек будет мертв с высокой вероятностью.

Таким же образом можно представить и квантовое бессмертие. Даже находясь в эпицентре ядерного взрыва существует вариант развития событий, в котором вы выживаете и далее вы путешествуете мирам, удивляясь тому, как нелепое стечение обстоятельств позволяет вам каждый раз избежать смерти (в то время как ваши альтернативные версии дохнут как мухи).

Существуют и другие менее популярные интерпретации квантовой механики. Например, механика Бома (американский и британский физик), в которой тот вообще заявил, что случайных событий нет, просто мы знаем не все параметры (в чем его поддерживали Эйнштейн и де Бройль). Но до сих пор эта интерпретация воспринимается физиками довольно негативно.

Существует космологическая интерпретация, согласно которой все события уже записаны в бесконечной Вселенной (если Вселенная бесконечна, значит в ней возможно всё, что имеет вероятность хоть немного выше нуля). Квантовая неопределенность это проблема наблюдателя, который не способен узнать заранее, в какое событие он "записан".

Есть еще несколько мозговыносящих интерпретаций, которые мы, честно говоря, и сами не понимаем, да и они больше похожи на философию, чем на научную теорию (как будто теория Эверетта похожа на научную, ага).

Ну, и наконец, самая современная интерпретация всего этого безумия это декогеренция квантового состояния. Рано или поздно ученые устали выдумывать безумные теории, а сели и хорошенько подумали.

Идею интерпретации вывели из копенгагенской, и она звучит более-менее разумно. Помните закон термодинамики, когда нагретое тело (без продолжающегося нагревания) рано или поздно остывает до температуры с окружающей среды? Так вот и с квантовыми событиями похожее явление. Квантомеханическая система, взаимодействуя с окружающей средой, необратимо проявляет классические черты. Чем больше "участников" в такой системе, чем больше атомов, участвующих в процессе, тем быстрее волновая функция схлопнется в одно конкретное состояние. Стабильность "съедает" неопределенность.

Поэтому в случае с котом Шредингера нельзя говорить, что кот жив и мертв одновременно. Благодаря декогеренции, кот встретился со своей судьбой задолго до открытия коробки и парадокса не существует. А также и не существует загадочного "наблюдателя" – измерением мы только ускоряем декогеренцию, то есть связываем закрытую квантовую систему с окружающим миром. Аналогичным образом мы некоторыми действиями можем удерживать квантовую систему в состоянии суперпозиции, изолируя ее от внешней среды (а теоретически даже сколь угодно долго – можно попробовать удерживать атом от распада бесконечно).

(К сожалению, найти что-либо в рунете по декогеренции практически не реально, так как поисковики заспамлены идиотскими интерпретациями Доронина и прочим бредом о влиянии сознания на материю – это печально, ибо загнивающий Запад занимается прорывами в теоретической физике на протяжении семидесяти лет, подходя к созданию квантовых компьютеров, а все, что у нас имеется – талмуды по "квантовой магии", и то, как дешевый пересказ западных шарлатанов. Мы плачем навзрыд от неспособности получить доступ к новейшим знаниям).

В этой части наших псевдонаучных лекций мы порассказывали о проблемах наблюдения частиц и интерпретациях квантовой механики. Мы сознательно не коснулись таких интереснейших явлений как неопределенность Гейзенберга, квантовая нелокальность и принцип запрета Паули. Чтобы доступно об этом рассказать нужно гораздо больше текста (и картинок). А также некоторая подготовка читателя, которую мы, не торопясь, проводим.

Тем же, кто будет обязательно критиковать нашу методологию, сообщим, что мы нарушаем порядок повествования и рассказываем о некоторых вещах без определенной части необходимых знаний (это да: было бы неплохо до интерпретаций квантовой механики ввернуть про квантовую неопределенность Гейзенберга). Но мы очень долго размышляли над методологией повествования, много читали научпоп литературы (в некоторых книгах изложение было еще более нелинейно, чем наше) и, учитывая тот факт, что мы пытаемся рассказать о научных проблемах обычным людям, которые выбрали в своей жизни занятия очень далекие от теоретической физики, то мы считаем вправе так поступить. В конце концов, мы уверены, что любой человек, который посчитает наши лекции неполными, не забанен в Гугле с вероятностью 99,9% и сможет самостоятельно продолжить самообразование.

Зато теперь многие, дочитавшие до конца, поймут тонкую шутку на картинке:

NB: Снова и снова напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...