На меня давно произвела впечатление эта технология. Я говорю про квантовый компьютер, или квантовую связь. В общем, наверное, я имею в виду всю квантовую механику, как науку.
Мне кажется, что это магия. Я говорю про ту самую суперпозицию кубитов. То, что кубит может быть нулем, может быть единицей, и может быть одновременно и нулем и единицей! И в то же время мы не можем узнать, какой он, пока мы на него не посмотрим. Может, он вообще никакой.
И две частицы настолько связаны, что они мгновенно чувствуют изменения в состоянии другой частицы, хоть в другой галактике! И это называется квантовой запутанностью. И кто мне скажет, что это не звучит как магия? Как по мне, "авада кедавра" более понятна, чем это.
То есть это более-менее понятно, но как по мне, это поражает воображение. И иногда мне жаль, что я не достаточно хорошо учился в школе)
Видеоигра BioShock Infinite от прочих игр серии, да и игропрома в целом, отличается тесной связью сюжета с квантовой механикой. Разбираемся, какие именно физические концепции вдохновляли авторов легендарного шутера. Спойлер алерт: пост рекомендуется к прочтению только после полного прохождения игры.
Сюжет
Сюжет игры вертится вокруг побега юной Элизабет — наследницы Захари Хейла Комстока, основавшего летающий город Колумбия в 1893 году. Мы играем за частного сыщика Букера ДеВитта, которого наняли загадочные близнецы — физики Розалинда и Роберт Лютесы — для организации побега Элизабет в обмен на закрытие долгов.
По ходу игры мы выясняем, что ученые играют ключевую роль в событиях во вселенной BioShock Infinite. Строго говоря, Розалинда и Роберт — это не брат и сестра, как они представляются людям, а два варианта одного и того же человека из параллельных миров. Расщепление реальностей происходит в моменты совершения судьбоносных решений — и это прямая отсылка ко многомировой интерпретации квантовой механики.
Взаимодействие между мирами стало возможным благодаря независимым открытиям Лютесов нового типа взаимодействия (поле Лютес). Изначально этот физический эффект заключался в левитации отдельного атома (частицы Лютес). Розалинда на деньги Комстока смогла масштабировать эффект на массивные тела, благодаря чему стало возможно создание целого летающего города.
Продолжая эксперименты с воздействием на атом полем Лютес, ученая обнаружила, что на тот же самый атом воздействует что-то еще. Оказалось, что поле Лютес проникает во все миры сразу. В одном из параллельных миров Роберт Лютес проводил аналогичные опыты с другой версией этого атома. Скоро физики установили друг с другом контакт посредством азбуки Морзе и объединили усилия. Коллаборация создала машину Лютесов, которая открывает полноценные порталы (разрывы) между мирами, и Роберт переместился в Колумбию, которой не существовало в его реальности (потому что там не существовало Комстока).
Последовавшая далее по сюжету гибель «близнецов» им не особенно повредила: Лютесы приобрели неуязвимость и способность появляться в любой из версий миров в любом месте и любом времени. Ученые приняли решение использовать эту способность для предотвращения катастрофы — войны, которую могла развязать Колумбия.
Рождение квантовой механики и левитация атомов
По меркам нашей с вами реальности открытия Розалинды и Роберта существенно опередили свое время. Они свободно оперируют терминами из квантовой механики, в то время как на самом деле эта область физики начала развиваться лишь в XX веке, после статьи Макса Планка 1900 года. Это была попытка описать спектр абсолютно черного тела, для которой физику пришлось допустить, что энергия электромагнитного излучения испускается и поглощается отдельными «порциями» (собственно, квантами).
Физики отказались от классической онтологии для корректного описания микромира только к середине 20-х годов XX века — усилиями Нильса Бора, Эрвина Шрёдингера и многих других. В 1930 году Поль Дирак подвел строгий математический базис под квантовую механику и связал ее со специальной теорией относительности, опубликовав книгу «Принципы квантовой механики». Во вселенной Bioshock Infinite эту книгу еще в в середине 80-х годов XIX века написала Розалинда Лютес.
BioShock Infinite / 2K Games
Идея «квантовой левитации» атомов — так окрестили открытие Розалинды ее современники — не такая уж фантастическая, как кажется. Сегодня мы умеем манипулировать атомами с помощью оптических пинцетов — лазерных лучей, сфокусированных в одну точку, в которой гравитация атома компенсируется воздействием оптической силы (подробнее об этом изобретении читайте в материале «Скальпель и пинцет»).
Впрочем, принцип работы оптических ловушек далек от идеи поля Лютес, которое как-то влияет на гравитацию тела. Причем механизм этого воздействия не очень ясен. В основной части игры мы узнаем, что атом просто «отказывается падать». Это можно интерпретировать как подавление константы связи между массой и гравитационным полем без какого-либо изменения остальных взаимодействий, в которых участвует материя.
В результате выключения гравитации тела должны какое-то время двигаться вровень с поверхностью Земли (для наблюдателя рядом — оставаться на месте) по инерции, а затем, по мере вращения планеты, взлетать — подобно камню, выпущенному пращей.
Однако в домах Колумбии не царит невесомость, да в дополнении Burial at Sea частицы Лютесов сразу после активации поля стремятся вверх, что больше похоже на антигравитационное отталкивание. В целом, воздействие поле Лютес на материю напоминает эффект массы из Mass Effect (о нем подробнее читайте в материале «Масса эффектов»).
Война интерпретаций
Квантовая механика позволяет объектам находиться в суперпозиции состояний с какими-либо четко определенными свойствами (наблюдаемыми). Например, подброшенная квантовая монетка в каждый момент времени находится не в одном из двух чередующихся состояний (орел или решка), а в их смеси. Такие простые квантовые системы в физике называют кубитами.
Эксперимент показывает, что результат измерения, то есть броска монетки, имеет вероятностный характер. Причем эта вероятностность — фундаментальное свойство мира, а не чисто эпистемологический эффект, связанный с наличием каких-либо скрытых параметров в экспериментах, результаты которых удобно объяснять, введя понятие суперпозиции. Иными словами, классическая физика убеждена, что если она знает все начальные условия броска, то может точно предсказать его результат. Квантовая же физика знает, что полнота знания ей с этим не поможет: в любом случае придется ждать результата.
Другой парадокс связан с тем, как вместе с принятием посылок квантовой механики меняется наше представление о самом акте измерения. Этот процесс в любом варианте опосредуется взаимодействием между квантовым объектом, частицей, — и классическим объектом, измерительным прибором. Но прибор, в конце концов, это сумма всех его частиц, а значит тоже должен квантоваться. А уравнения квантовой механики говорят нам, что если частица в суперпозиции взаимодействует с другой (например, атом излучает фотон), то обе частицы оказываются запутанными. Это выражается в том, что представить волновую функцию всей системы в виде произведения волновых функций частиц по отдельности — математически невозможно. Вместо этого мы имеем сумму, каждое слагаемое которой соответствует одному из вариантов развития событий (с точки зрения наблюдаемой первой частицы) с некоторым вероятностным весом.
Но на практике мы наблюдаем лишь то, что частица просто находится в одном из состояний, из которых должна быть построена ее суперпозиция. Эта проблема встает очень остро, когда мы пытаемся сохранить квантовую запутанность для большого числа объектов — нам это нужно при создании квантового компьютера. Взаимодействие со средой разрушает ее. Физики называют этот процесс декогеренцией.
Исторически первой интерпретацией квантовой механики — то есть описания физической реальности, которая стоит за абстрактными математическими уравнениями, — была копенгагенская. Ее сформулировали Бор и Гейзенберг. Согласно ей редукция (или коллапс) волновой функции при измерении — это объективный и необратимый процесс, который происходит вне рамок процессов, которые описывает уравнение Шрёдингера. И понимать то, что сообщает уравнение Шрёдингера о состоянии квантового объекта до коллапса его волновой функции, надо буквально. В этот момент он действительно находится во всех возможных состояниях, шанс которых «выжить» после измерения отличается.
В середине XX века Хью Эверетт предложил, а Брайс Девитт (в честь него, кстати, получил свою фамилию протагонист BioShock Infinite) развил другой подход к проблеме измерения. В многомировой интерпретации предполагается, что в момент взаимодействия прибор в самом деле запутывается с квантовой частицей, равно как и лаборант, который следит за его показаниями. Тогда каждый член получившейся волновой функции описывает ситуацию, в которой лаборант вместе с прибором наблюдают коллапс состояния частицы, но результат этого коллапса будет разный в разных членах. А эта волновая функция (и все ее члены) — часть еще более крупной системы, которая в пределе представляет волновую функцию всей Вселенной. И поскольку всю Вселенную никто не наблюдает, ее волновая функция не коллапсирует (и не сколлапсирует), так что локальные события до бесконечности продолжают ветвиться, множа все больше параллельных вариантов развития событий.
Многомировая интепретация имеет множество вариаций. В ряде из них учитывается запутанность всех вселенных в мультиверсе между собой, что, без сомнения, очень привлекательно для научной фантастики. Неспроста BioShock Infinite регулярно подвергается сравнению с другими произведениями. По мнению авторов книги «Создание трилогии BioShock. От Восторга до Колумбии», сюжет Infinite больше всего напоминает таковой у сериала «Грань» (Fringe) — причем не только наличием параллельных вселенных, но и темой похищения ребенка, способностями отдельных персонажей и многим другим.
Зачем физикам метафизика
Помимо многомировой и копенгагенской интерпретацией существует еще с десяток других, включая «никакую» интерпретацию, выраженную фразой «Заткнись и считай!».
Как показывают опросы физиков (совершенно нерепрезентативные, впрочем), копенгагенский и многомировой варианты — самые популярные среди специалистов по квантовой механике, которым не лень принять ту или иную позицию (их общее число примерно такое же, как и число ученых, индифферентных к интерпретации квантмеха).
Важно, однако, то, что разговоры об интерпретации это уже область сугубо метафизическая — у нас нет способа верифицировать ни одну из них и потому выбирать какую-то из них совершенно не обязательно, все сводится к личным предпочтениям конкретного человека (то есть являются вопросом веры или, если угодно, философских убеждений). Из-за этого многие физики довольно болезненно воспринимают ситуацию, когда популярное изложение квантовой механики опирается на строго одну из интерпретаций как истинно верную.
Многомировая интерпретация как драйвер сюжета
Разберемся теперь, как многомировая интерпретация вплетена в мир Bioshock Infinite. И начнем с близнецов.
Квантовый мультиверс предполагает, что расщепление миров должно начинаться с события атомарного масштаба. Если Лютесы имеют разный пол в разных версиях реальности, значит этому должно предшествовать одно или несколько таких событий. Что бы это могло быть?
Розалинда уверена, что их с Робертом геном отличается всего на одну хромосому: X у нее вместо Y у него. Эти две хромосомы отличаются по размеру более, чем в пять раз. Учитывая, что X-хромосома содержит в себе около 150 миллионов пар оснований, сложно представить простой физический процесс (или даже несколько), которые могли бы привести к тому, что геном двух людей отличался всего лишь одной хромосомой. Другими словами, слова «всего одно» для квалификации отличия Розалинд от Роберта подходит здесь не очень хорошо.
Гораздо более правдоподобным кажется сценарий, в котором одна или несколько мутаций мешают сформироваться мужской половой системе. А поскольку по умолчанию половая система развивается по женскому типу, носитель таких мутаций может вырасти женщиной — как внешне, так и на гормональном уровне — несмотря на то, что его клетки содержат Y-хромосому. По такому принципу возникают, например, синдром Свайера и синдром нечувствительности к андрогенам, — причем в обоих случаях может хватить одной или нескольких точечных мутаций. Можно представить себе, что вселенная расщепилась на две: в одной квант ионизирующего излучения испустился и вызвал мутацию, а в другой не испустился (и, соответственно, никакой мутации не вызвал). Такая же запутанность может возникнуть и при поглощении кванта. Мутации могут быть вызваны и туннелированием протона — мы рассказывали, что этот процесс также существенно квантовый.
Играя внимательно, можно понять, что альтернативные миры могут отличаться друг от друга совсем небольшими деталями.. Чтобы свергнуть Комстока с помощью Букера, Лютесы прокручивают историю раз за разом, перебирая различные варианты развития событий. К этому отсылает фраза про «константы и переменные», которую мы слышим во время прохождения игры. Ученые контролируют процесс с помощью калибровочных тестов: подбрасывания монетки и выбора украшения для Элизабет. В первом случае монета всегда падает одной стороной (константа), во втором случае возможна вариативность (переменная). Судя по отметкам на доске, которую держит Роберт, игрок управляет 123 попыткой спасти Элизабет.
BioShock Infinite / 2K Games
Идея о том, что каждый атом представлен в каждом члене суммы глобальной волновой функции, развита в способностях Элизабет. Согласно событиям игры, она была похищена из своего мира в тот, где она никогда не рождалась, но при переходе часть ее мизинца осталась в родном мире. Лютесы утверждают, что это по какой-то причине дало ей способность создавать разрывы (причем в любую точку пространства-времени другого мира), для блокировки которых им пришлось разработать специальное устройство — «сифон».
Элизабет открывает разрыв ко входу в парижский кинотеатр, где в 80-х годах XX века собираются показывать «Месть Джедая»
BioShock Infinite / 2K Games
Если придерживаться логики игры, то Элизабет умеет создавать и поддерживать лютесово поле. Это согласуется с эффектом разрушения сифона — после него разум всех Элизабет во всех мирах синхронизировался, что похоже на состояние «общего атома», с которым работали Розалинда и Роберт. Это очень красивый ход, но он не очень хорошо стыкуется с многомировой запутанностью. Эта интерпретация хорошо подходит для описания волновых функций частиц. Но у нас нет никаких гарантий, что все версии Элизабет состоят из одних и тех же «общих атомов».
Дополнение Burial at Sea показывает, что происходит в случае смерти одной из копий: мир, где она происходит, становится для Элизабет недоступным. Попасть туда она может, только если выйдет из суперпозиции — другими словами, сколлапсирует. Тут авторы игры вообще отступают от многомировой интерпретации — коллапс волновой функции это фишка из копенгагенской интерпретации, во многомировой его нет.
Решения Элизабет — не единственные примеры коллапса в игре. Мы также встречаем настойки (infusions) — напитки, повышающие боевые характеристики Букера. Это мерцающие разным цветом бутылочки, которые обретают конкретный цвет и свойства, когда игрок делает выбор. Считается, что, как и Элизабет, настойки находятся в состоянии квантовой суперпозиции, а игрок «измеряет» их, выпивая.
Оперевшись на нелинейный мультиверс, разработчики с неизбежностью притащили во вселенную игры все причитающиеся этой концептуальной системе парадоксы вроде парадокса убитого дедушки (о нем и других временных парадоксах мы рассказывали в материале «Убить дедушку и выжить»). Впрочем, этим парадоксам у авторов нашлось применение: Лютесы уверены, что если довести ситуацию в конкретном мире до парадокса, то соответствующая ветка развития событий будет уничтожена, и именно этот механизм используется в игровой концовке. Даже если принять за аксиому, что парадокс стирает миры (для чего нет особых оснований), удаление «комстоковых» вселенных должно исключить существование самих Лютесов, которых мы, тем не менее, встречаем в дополнении. Логические нестыковки и дыры — это одна из самых частых претензий к игре со стороны критиков.
И все же BioShock Infinite чрезвычайно хорош тем, что глубоко лезет в идеи из квантовой физики. Конечно, о реализме показанного в игре можно говорить лишь на концептуальном уровне, однако и этого немало. Сюжетные повороты, концовки основного сюжета и дополнения до сих пор заставляют игроков разбираться с пост-ньютоновскими физическими концепциями и их метафизическими обвесами. В конце концов, саму игру также можно рассматривать, как очередную интерпретацию реальности, с которой большинство профессиональных физиков взаимодействуют лишь на уровне абстрактных уравнений, — что, безо всякого сомнения (говорю это как физик-теоретик!) полезно и для ученых, и артистов.
Это продолжение моей прошлой статьи, которая вызвала знатный срач в комментах. К слову, никаких существенных аргументов против теории товарищи комментаторы так и не родили. Статья была написана с пылу с жару! На эмоциях. Тогда я еще даже не осознавал, что конкретно мне удалось сделать. А сейчас, ознакомившись с последними представлениями о гравитации и десять раз все перепроверив, я понял, что попал в точку.
Книга Семихатова "Всё, что движется: Прогулки по беспокойной Вселенной" вся пронизана диалектикой, но автор не в состоянии выстроить всё это в единую стройную систему только лишь потому, что не осознаёт, что пользуется диалектикой. Он видит антагонизмы и озвучивает их, но не понимает что эти антагонизмы и есть ответ. В корне всего должен быть антагонизм, без которого не возможно движение. И вот он антагонизм: по Эйнштейну масса - это энергия. Я предполагаю, что пространство-время - это гравитация. Гравитация не имеет квантовой природы! Запутанный квант потому и способен передать спин мгновенно на любом расстоянии, что в квантовом мире нет такого понятия как "расстояние". Расстояние - это пространство, а пространство - это гравитация. А гравитация НЕ ИМЕЕТ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ. Квантовая механика никогда не подружится с теорией относительности, но мы можем изучить природу их противоречия.
Да, масса и гравитация находятся в постоянной борьбе, но при этом и существуют только благодаря друг другу. Единство и борьба противоположностей, короче. Не будь квантового мира (то есть массы), то гравитация бы просто коллапсировала, ведь ей не на что было бы давить и нечего расталкивать. Она бы безмерно расширилась и исчезла, превратившись в ничто. Но и масса без гравитации не способна упорядочиться и сформировать устойчивые соединения. Именно гравитация сжимает звездные системы в галактики, а галактики в туманности. Квантовый хаос без гравитации просто равномерно распределился бы по пустоте. Все по диалектике. В корне бытия лежит фундаментальное противоречие (борьба, антагонизм). В процессе этой борьбы рождается и существует наблюдаемая действительность. Вселенная - это борьба массы и гравитации. Не земля притягивает меня к себе, а гравитация меня к ней прижимает. Я могу писать еще много, но лучше выпущу монографию нормальную.
Предисловие: Товарищ @Jinxy в комментарии предложил осветить данный вопрос, и я с удовольствием согласился. Так как это позволяет порассуждать о многих аспектах квантовой физики, экспериментальной работе и важности интерпретации полученных данных. Описание будет вестись для фотонов, так как с ними эксперимент наиболее простой в исполнении и понимании. Далее мы узнаем, позволяет ли квантовый ластик путешествовать во времени и нарушать причинно-следственные связи (спойлер: нет).
Осторожно, очень длиннопост.
Фотон - волна или частица?
Стоит начать с момента, который будет определяющим для дальнейшего понимания, а также поможет в дальнейшем не задаваться вопросом о природе квантового объекта. Сам я ни раз (это было дважды) слышал аргумент о несостоятельности физики, так как она не может даже ответить на простой вопрос: фотон - это волна или это частица? Как всегда, рассмотрим это просто и по аналогии. Возьмём в пример яблоко:
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.
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.
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...
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?..
Концепция такова, что диалектическая логика мракобеса Гегеля - это, своего рода, квантовая механика в философии, а формальная логика в свою очередь, как бы, теория относительности.
Именно квантовая механика позволила эмпирически доказать существование противоречий в базовом устройстве естественной природы вещей, то есть в материальном мире, таким образом обнажив истинность диалектики. В то время как механистические материалисты-математики по сей день считают, что противоречия присущи лишь мышлению, диалектическая логика задолго до физики дошла до естественных противоречий, обобщив и систематизировав всеобщую практику человечества последних столетий.
Но так уж вышло, что буржуазные философы превратили всю современную философию в балтологический фарс позитивизма и субъективного идеализма. В сегодняшнем неолиберальном социокультурном процессе под названием постмодерн, всю философию начисто отменили. И раз вся философия мусор, то уж эта ваша диалектика вообще тупо религия. Мол все, кто исповедуют веру во всемогущую диалектику, состоят в политически ангажированной паранаучной секте и верят на слово неким Гизо, Смиту, Рикардо, Марксу, Энгельсу, Ленину. Ну да, ну да. С нами тут правда в этой секте что-то забыли Эйнштейн, Тесла, Хокинг, Хемингуэй, Лондон, Чаплин, Че Гевара. Им почему-то тоже показалась верной концепция, что стоимость всего что мы используем и портебляем берется не из эфемерного предпринимательского таланта или свободного обмена, а из материального мира, который мы преображаем своим трудом. Вложенный труд придает предмету ценность. А услуги так вообще почти полностью из вложенного труда и состоят! Получается, что все материальные блага должны принадлежать тем, кто трудится, а идейные и предприимчивые просто должны дополнительно поощряться, а не владеть средствами производства и интеллектуальной собственностью. Таковой все эти люди видели научную теорию справедливости. Диалектическую справедливость. Меняющуюся, и развивающуюся, как и весь окружающий мир. Мир движения, а не застывшего механизма позитивистов-либералов или задумки господней у идеалистов. Короче материалистическую диалектику сняли с эфира как не формат. Она же противоречива, а противоречий в мире быть не может. Мир идеален.
И тут бэээээм! Квантовая физика влетает с ноги и такая - противоречия есть! Фотон света одновременно является и волной и частицей, что противоречиво, но при этом истинно! Теория относительности, говорит нам что невозможно преодолеть скорость света, а квантовая запутанность говорит, что возможно! Квантовый мир поимел формальную логику с её догматическим взглядом на познание. Мир - это изменяющиеся процессы, а не статическая устоявшаяся система в которой нет противоречий и всё уравновешено.
Между двумя лежащими рядом камнями нет противоречий исключительно постольку, поскольку ты как позитивист наблюдаешь их только в моменте, фиксируя факт. А что если мыслить эти камни как огромные глыбы породы, сталкиваемые тектоническими процессами и разрушенные впоследствии на мельчайшие частицы миллионами лет воздействия стихии. Ведь именно так эти два камня перед тобой и оказались. Но тебя дурака интересует только то, что они лежат рядом в данный момент времени у тебя перед глазами. Идеальный пример такой глупости, это критика теории эволюции в стиле, “А почему тогда обезьяны не превращаются в человека сейчас? А? Почему мы это не наблюдаем?” Идиоту не в домёк, что эволюционным процессом рулит изменяющийся материальный мир, который сегодня изменился таким образом, что не требует от шимпанзе, горилл и орангутанов именно таких специфических адаптаций, какие он требовал от древних гоминид 2 миллиона лет назад.
Сегодня это уже интеллектуальная неполноценность - видеть мир статичным и идеальным, когда он противоречив и развивается. Там где есть процессы, будут и противоречия, постольку процессы неминуемо сталкиваются, порождая противоборствующие силы. Также, возможно, и квантовый мир сталкиваясь с гравитацией упорядочивается и формирует макромир, но это не точно. Я пока еще не готов это доказывать, потому как, ко всеобщему сожалению, товарищи физики пока не могу сказать однозначно, что такое гравитация. Правда они в массе своей и ищут-то ее не там. Гравитация противоположна квантовой механике, как положительный заряд противоположен отрицательному, как порядок хаосу. Она не обладает квантовой природой. Я не физик, чтобы понять из каких элементарных частиц гравитация состоит и применим ли к ней вообще такой термин как “состоит”? Возможно она неделима и представляет из себя нечто столь гигантское, что мы даже не способны осознать. Пока, конечно же, не способны! Пока! Это осознание станет одной из величайших революций в науке всех времен. Товарищи физики, мы в вас верим! Поднажмите!
Мораль из всего этого проста! Наш способ мышления должен полностью соответствовать законам развивающегося материального мира, чего формальная логика не может дать, поскольку упирается в механицизм и как следствие позитивизм. А материалистическая диалектика описывает логику действительности гораздо более полно, и потому может называться следующей ступенью философии. Философии, позволяющей ученому, погруженному в одну конкретную узкую сферу не иметь убогих заблуждений родом из 18 века в других сферах. Понимающий диалектику человек никогда не назовет историю псевдонаукой, которую пишут победители. Понимающий диалектику человек никогда не примет за чистую монету гомеопатию или чудодейственную силу вселенной. И наконец понимающий диалектику человек никогда не поверит в бога. То есть ученый, не обладающий конкретным научным методом каждой из наук, но имеющий при этом общие знания в купе с диалектической логикой, сможет придерживаться исключительно научного представления во всех дисциплинах. Другими словами, он "всесторонне разовьётся"!
Такая вот гимнастика ума в 4 утра. Всем кто дочитал, спасибо! Всех вас люблю и жду вашу разоблачающую критику в комментариях.
Так как я веду канал, посвященный философии, меня часто спрашивают, являюсь ли я идеалистом или материалистом. Я выбрал быть честным с самим собой: я не знаю. Меня не интересует чья-то правота, меня интересует истина.
Что такое вообще "материя"? Атомы, кварки, энергия, поле? Материалисты говорят, ссылаясь часто на В.И. Ленина, что материя - это всё то, что существует объективно в осязаемой или неосязаемой форме. Но откуда мы знаем что что-то вообще существует объективно, если еще сто лет назад самые выдающиеся и передовые умы человечества показали, что на фундаментальном уровне реальность вокруг нас субъективна и индетерминистична? Речь идет об "отцах-основателях" квантовой физики, таких, например, как В. Гейзенберг, Н. Бор и др. Нет, я не буду писать о "чудесах сознания", о том, что в квантовой физике сознание наблюдателя каким-то волшебным образом влияет на эксперимент и прочих стереотипах. Я знаю, что на результаты эксперимента влияет не сознание, а факт измерения, измерительный прибор. Однако на самом деле это мало что меняет, ведь этот факт удивителен уже сам по себе: почему измерение меняет результат эксперимента?
Кто-то наверняка скажет, что при измерении мы, к примеру, на электрон влияем фотоном, чтобы заполучить результат измерения, вот фотон и влияет на электрон. Но уже давно нобелевским Лауреатом А. Цайлингером были проведены эксперименты с максимально пассивным измерительным прибором, который сам никак непосредственно не влияет на измеряемое вещество. А. Цайлингер модифицировал знаменитый двухщелевой эксперимент так, что в щели он направлял огромные молекулы фуллерена, а для фиксации их поведения поставил у щелей, через которые проходил фуллерен, термометр, который не мог влиять на эксперимент, активно испуская фотоны. Результат получился всё тот же: факт даже самого пассивного измерения влияет на результат измерения и дело тут вообще не в фотонах, "пихающих" электрон.
Более того, есть вообще бесконтактные измерения Элицуры-Вайдмана, согласно которым не только известный кот Шрёдингера находится в суперпозиции, пока мы его "контактно" не измерим, но даже если этого кота и наблюдателя за котом мы поместим в изолированную систему и эту систему бесконтактно измерим по методу Элицуры-Вайдмана, то для нас как внешних наблюдателей, и кот, и наш друг-наблюдатель, посланный в изолированную систему вместе с котом - все они будут в суперпозиции.
Таким образом, квантовая физика необъяснима каким-то прямолинейным классическим материалистическим способом. На результат эксперимента влияет измерение, но не напрямую вроде "толканием электрона фотоном", а неизвестным нам образом. Суперпозиция - это не парадокс от неправильного понимания, а реальность: электрон находится во вех возможных состояниях, пока он не измерен. И дело не в том, что мы просто не знаем, где он, а в том, что именно до измерения у электрона просто нет никакого конкретного состояния.
Физика - это основа всего. Из физики вырастает химия, из химии - биология, из биологии - психология и история (глупо пытаться объяснить психику человека и историческое развитие общества, не понимая или даже отрицая, что человек - это животное). А что является основой физики? Основа физики - квантовая теория. В нее всё упирается. Квантовый мир - это, своего рода, предельная реальность. И какова же она? Давайте очень пристально, без чудесных и мистических охов и ахов посмотрим на Копенгагенскую интерпретацию квантовой физики - доминирующую сегодня интерпретацию.
В Копенгагенской интерпретации квантовая механика видится как некое обобщение теории вероятностей. Если мы подбрасываем игральные кости (два кубика), то может выпасть число от 2 (по единичке на каждом кубике) до 12 (по 6 на каждом кубике). Вероятность выпадения той или иной комбинации разная. Вся эта система описывается распределением вероятностей, которое, со статистической точки зрения, несет в себе всю информацию о системе. В квантовой механике всю информацию, которую только можно знать о системе, несет в себе вектор состояний, который содержит все амплитуды вероятности того или иного события - это и есть суперпозиция. Как же происходит коллапс суперпозиции, то есть переход от всех возможных состояний к одному конкретному?
При подбрасывании игральных костей просто выпадает та или иная комбинация и результат становится определенным. Здесь функция распределения вероятностей "коллапсирует" в одно конкретное значение - которое выпало. Теперь наша система из двух игральных кубиков находится в одном конкретном состоянии. Нечто похожее происходит и при квантовом измерении: вектор состояний коллапсирует в один из базисных векторов, который соответствует реализовавшемуся состоянию.
Но в квантовом измерении есть одно существенное отличие от ситуации с кубиками. В случае с игральными костями, вероятности - это удобное приближение. За этими вероятностями стоят реальные физические объекты - игральные кости. С точки зрения классической физике, если мы будем детально знать начальное состояние кубиков, все их параметры, их траекторию движения при подбрасывании и прочее, то мы сможем практически точно предсказать, какая комбинация выпадет. Так, процесс, стоящий за "коллапсом" распределения вероятностей при подбрасывании кубиков может быть, по сути, описан детально.
В квантовой же механике за вектором состояния нет попросту ничего, никакого более детального описания не существует. Нет никаких скрытых механизмов или параметров, которые мы могли бы знать и точно рассчитать, к чему приведет коллапс, предсказать результат измерения. И это подтверждается огромным количеством экспериментальных данных и математических расчетов: парадокс Харди, нарушение неравенство Белла, GHZ-состояние и др. Объективная реальность, общая для всех и независимая от наблюдателя, воспринимающего результаты измерения, просто отсутствует.
Квантовая механика носит вероятностный характер, а вероятности возможны лишь там, где есть субъект. Вектор состояния отражает субъективную информацию наблюдателя об интересующей его системе. Квантовая механика субъективна, наблюдаемая система неотделима от наблюдателя, она не существует сама по себе. Данные измерительных приборов бессмысленны без наблюдателя, который их воспринимает. Коллапс суперпозиции - это лишь субъективное обновление информации при поступлении новых данных.
Забавно слышать, как иногда говорят, а что если наблюдатель слепой? Наблюдатель - это субъект, способный воспринять информацию органами чувств в принципе, не только глазами. Классическая механика хорошо работает за пределами квантового мира, но если смотреть фундаментально, то классическая механика - это всего лишь приближенное описание реальности, не более.
А. Эйнштейн, недовольный тем, что квантовая физика ставит под сомнение объективную реальность, спрашивал: "Вы действительно думаете, что Луна не существует, когда на нее никто не смотрит?". Дело в том, что вектор состояний Луны "запутан" с векторами состояний космических объектов и много чего еще, поэтому если все люди на Земле разом перестанут смотреть на Луну, она не перестанет существовать. Но не потому, что она объективно есть, а в силу квантовой запутанности. Луна существует и для слепого человека, который коллапсирует суперпозицию Луны, взаимодействуя при помощи других органов чувств с другими объектами, квантово-запутанными с Луной (как те же приливы и отливы на Земле, хотя бы).
Мне тут писали, что в современной науке доминирует принцип "заткнись и считай!". Во-первых, этот принцип нигде не доминирует, а во-вторых, это не принцип, а просто бегство от сложных вопросов, бегство от самой науки, в результате чего большая наука превращается в бухгалтерский учет. Забудьте эту глупость. Наука возникла как поиск ответов на фундаментальные вопросы и именно в таком виде сделала огромные успехи. Поиск ответов на фундаментальные вопросы - это движущая сила наука, без которого она просто умрет или выродится в никому ненужную скучную рутину.
Квантовая физика субъективна и индетерминистична. Реальность есть. Объективной реальности, независящей от наблюдателя нет. И это просто физика. Просто обычная современная квантовая механика и никакой мистики. И всё это было известно сто лет назад, но для многих это и по сей день является новостью и шок-контентом. Да, это тяжело принять, это противоречит "здравому смыслу", но помните, что здравому смыслу когда-то противоречило и то, что Земля не плоская, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, что существуют микробы, которых мы не видим, но они могут быть причиной болезни. Последнее - особенно удивительно. Венгерский акушер Игнац Земмельвейс еще в первой половине XIX века призывал врачей мыть руки и инструменты перед операцией, но над ним только смеялись.
Я не хочу тут доказывать правоту идеализма. Возможно в основе мира лежит такая вот особая материя, которая и порождает все эти квантовые парадоксы, но скорее всего идеальное и материальное - две стороны одной медали. Я лишь хочу показать, что мир гораздо сложнее и интереснее, чем думают особенно упертые и фанатичные сторонники того или иного лагеря.
Казалось бы, существование объективной реальности – это и есть одна из основных предпосылок, на которой и основывается вся современная наука, как может быть иначе? Однако в наши дни развитие науки зашло уже так далеко за грань здравого смысла и обыденного опыта, что вопрос о существовании объективной реальности, не зависящей от субъекта, уже не кажется таким странным и даже наоборот – сами упрямые факты свидетельствуют о том, что мир, как минимум, устроен гораздо сложнее и интереснее, чем нам казалось прежде.
Конечно, главное препятствие, мешающее нам и дальше считать, что за пределами субъективного наблюдателя существует некая независящая от него объективная реальность – это Квантовая физика. И дело тут даже не в заезженных парадоксах Квантовой механики. Дело в том, что сама Квантовая физика, практически в любой из существующих интерпретаций, требует от нас новой парадигмы мышления. Эксперименты в Квантовой физике дают такие результаты, которые буквально уже кричат нам: объяснить всё это в прежней парадигме не получится! А какая же нужна парадигма? Нужен отказ от самой идеи существования ньютоновской объективной реальности. И тогда всё становится на свои места.
Элементарные частицы существуют лишь в момент наблюдения. В действительности они постоянно находятся в состоянии суперпозиции, то есть «и там и тут», во всех возможных состояниях сразу, везде и нигде, в потенциале. Лишь факт наблюдения схлопывает суперпозицию до конкретного состояния и элементарная частица из некоего потенциального состояния, буквально из ниоткуда, переходит в одно реальное конкретное наблюдаемое состояние. Но с позиции Квантовой физики можно рассматривать не только элементарные частицы, но и всю Вселенную, так как всё в мире состоит из элементарных частиц. Таким образом, вся Вселенная не существует сама по себе, она находится в суперпозиции и приобретает бытие только благодаря наблюдателю. И об этом говорят не какие-то фрики-эзотерики, а академические ученые-физики!
Новая парадигма мышления – это тяжело. Она как будто бы выбивает почву у нас из-под ног. А ведь так хочется на что-то опереться. Единственная опора, которая у нас остается – это математика. Не остается больше никаких «внешних» объектов «реального мира». Есть только операторы в Гильбертовом пространстве. Именно так нам и нужно научиться мыслить.
Если вам интересны не только конкретные науки, но и познание мира в целом, философия, её история и связь с современной наукой, применение философии на практике в жизни, если вы хотите по-настоящему глубоко начать разбираться в философии и по-другому посмотреть на мир и своё место в нем, тогда приглашаю вас посетить мой телеграм-канал, в котором, я уверен, каждый найдет что-то интересное, полезное и важное для себя.
Официальная физика как-то не давала ответа на какие-то интересующие меня задачи - в ней нет понятного пути, а только грёзы и мечты, которые приводятся в реальность разве что в кинематографе и компьютерых играх. Ну и с пониманием структуры вещества всё тоже очень плохо: какие-то вложенные шарики, струны, точки...
Однако, я не остановился и стал искать другие знания, которые могли бы помочь мне. Оказывается, что есть куча всяких разнообразных воззрений. Научиться выделять из них адекватные и практически принодные - тоже навык, требующих методологической базы и опыта знакомства с разными теориями.
Есть куча видео со всякими генераторами, многое из которых лишь выдача желаемого за действительное - прямой обман или самообман. Однако это не означает, что такое невозможно или не было кем-то реально сделано.
Конечно, корректно подходить к исследованиям с пониманием дела, когда есть теория, предвосхищающая практику. Но академическая физика в своей классической части осталась в 19 веке, а в квантово-релятвисткой уж выглядит эклектичной и непознаваемой, будто в ней учёные сами "запутались" и не видят "вероятностей" найти понимания. Зачем на смотреть на Чёрные дыры? Почему позиция электрона принципиально непознаваема? Какой толк от кучи элементарных частиц?
Лучше уж заниматься чём-то полезным, чем лезть в дебри умозрительных бессмыслиц. Всегда ли являлись публично признанные воззрения и социальные тренды такими хорошими, как популярными? Если общественно-официальное мнение является практически бесполезным, то чем это лучше других менее популярных мнений, тем более, если у них есть шанс оказаться полезнее?
Мне, всё-таки, приятнее осознавать мир материальным, заполненным, без пустот, чем с поцизиции официальной физики, где 99,999...% пустота (хотя мы знаем, что 0,(9) = 1). Такие воззрения практиковались раньше многими учёными, и только в 20 веке от них решили отказаться ради фриковых простецких моделей.
Физика - это тот предмет, у которого нет предела глубины познания, как у биологии или химии, а так как люди не могут непосредственно видеть низкие уровни организации материи, то тут приобретает важность философский и методологический подход: если он посредственный, то результатом будет любая магия и оккультность типа современной квантовой механики, теорий струн и "тёмной фантазии материи".