У квантовій фізиці слід казати що. Між свідомістю людини та квантовою фізикою є дивний зв'язок

Новий експеримент може пролити світло на дивовижну приховану механіку квантових суперпозицій.

Суперпозиція- поняття про те, що крихітні об'єкти можуть існувати в кількох місцях або станах одночасно - є наріжним каменем квантової фізики. Новий експеримент намагається пролити світло на це загадкове явище.

Головне питання у квантовій механіці, на яке ніхто не знає відповіді: що насправді відбувається в суперпозиції - своєрідному стані, в якому частки перебувають у двох чи більше місцях чи станах одночасно? Група дослідників з Ізраїлю та Японії запропонувала експеримент, який, нарешті, дозволить нам дізнатися щось точне про природу цього загадкового явища.

Їхній експеримент, який, за словами дослідників, може бути виконаний протягом кількох місяців, повинен дозволити вченим зрозуміти, де фактично знаходиться об'єкт - у конкретному випадку частка світла, яка називається фотоном - коли вона знаходиться в суперпозиції. І дослідники передбачають, що відповідь буде ще більш дивною і шокуючою, ніж «два місця одразу».

Класичний приклад суперпозиції включає обстріл фотонів крізь дві паралельні щілини в бар'єрі. Одним із фундаментальних аспектів квантової механіки є те, що крихітні частинки можуть поводитися подібно до хвиль, так що ті, які проходять через одну щілину, «заважають» тим, хто проходить через іншу, їх хвилясті брижі, збільшуючи або змінюючи один одного, створюють характерну структури на екрані детектора. Дивна річ, однак, полягає в тому, що це втручання відбувається, навіть якщо одночасно вистрілюється лише одна частка. Частка як би проходить через обидві щілини одразу. Це і є суперпозиція.

І це дуже дивно: вимір того, через яку саме щілину долає частка, незмінно вказує на те, що вона проходить лише через одну щілину, і в такому разі хвильова інтерференція (квантовість, якщо хочете) зникає. Сам акт виміру, схоже, «руйнує» суперпозицію. « Ми знаємо, що у суперпозиції відбувається щось дивне» – каже фізик Авшалом Еліцер із ізраїльського інституту перспективних досліджень. «Але ви не можете виміряти це. Це те, що робить квантову механіку настільки загадковою».

Протягом десятиліть дослідники зупинялися у цьому очевидному безвиході. Вони не можуть точно сказати, що таке суперпозиція, не спостерігаючи її; але якщо вони намагатимуться поглянути на неї, вона зникне. Одне з можливих рішень, розроблених колишнім наставником Еліцура, ізраїльським фізиком Якіром Ааароновим в Університеті Чепмена та його співробітниками, пропонує спосіб дізнатися щось про квантові частки перед виміром. Ахаронівський підхід називається формалізмом двох станів (TSVF) квантової механіки, а постулати квантових подій у певному сенсі визначаються квантовими станами не тільки в минулому, а й у майбутньому. Тобто, TSVF передбачає, що квантова механіка працює однаково як уперед, і назад у часі. З цієї точки зору причини, мабуть, можуть поширюватись назад у часі, що виникають після ефектів.

Але не треба сприймати це дивне поняття буквально. Швидше за все, у TSVF можна отримати ретроспективне знання про те, що сталося в квантовій системі: замість того, щоб просто вимірювати, де закінчується частка, дослідник вибирає конкретне місце для пошуку. Це називається post-selection, і воно надає більше інформації, ніж будь-який безумовний погляд на результати. Це з тим, що стан частки будь-якої миті оцінюється ретроспективно у світлі її історії до виміру, включаючи вимір. Виходить, що дослідник - просто вибравши для пошуку конкретний результат - потім робить висновок, що результат має відбутися. Це трохи схоже на те, як якщо ви включаєте телевізор у момент, коли повинна транслюватися ваша улюблена програма, але сама ваша дія змушує цю програму транслюватися в цей момент. «Загальновизнано, що TSVF математично еквівалентний стандартній квантовій механіці» - каже Девід Воллес, філософ науки в Університеті Південної Каліфорнії, що спеціалізується на інтерпретації квантової механіки. "Але це призводить до того, що деякі речі не бачать інакше".

Візьмемо, наприклад, варіант двосекундного експерименту, розробленого Аароновим та співробітником Льовом Вайдманом у 2003 році, який вони інтерпретували за допомогою TSVF. Пара описала (але не побудувала) оптичну систему, в якій один фотон діє як затвор, який закриває щілину, змушуючи інший пробний фотон наближатися до щілини, щоб відбиватися так, як вона з'явилася. Після вимірів пробного фотона, як показали Ахаронов і Вайдман, можна помітити фотографію затвора в суперпозиції, що закриває одночасно (або навіть довільно багато) щілин одночасно. Інакше кажучи, цей уявний експеримент теоретично дозволив би з упевненістю сказати, що фотон затвора одночасно перебуває «тут» і «там». Хоча ця ситуація здається парадоксальною з нашого повсякденного досвіду, це один добре вивчений аспект про «нелокальних» властивостей квантових частинок, де все поняття чітко визначеного положення в космосі розчиняється.

У 2016 році фізики Ріо ​​Окамото та Шигекі Такеучі з Кіотського університету експериментально підтвердили передбачення Ааронова та Вайдмана, використовуючи світлопровідну схему, в якій фотографування затвора створюється за допомогою квантового маршрутизатора, пристрою, яке дозволяє одному фотону керувати маршрутом іншого. «Це був новаторський експеримент, який дозволив встановити одночасне становище частки у двох місцях» – каже колега Еліцура Еліаху Коен з Оттавського університету в Онтаріо.

Тепер Еліцур і Коен об'єдналися з Окамото і Такеучі, щоб придумати ще більш дивовижний експеримент. Вони вважають, що це дозволить дослідникам з упевненістю дізнатися більше про розташування частинки в суперпозиції в послідовності різних точок часу до того, як будуть зроблені будь-які фактичні виміри.

Цього разу маршрут зондового фотона буде поділено на три частини дзеркалами. Уздовж кожного з цих шляхів може взаємодіяти з фотоном затвора в суперпозиції. Ці взаємодії можна вважати виконаними в коробках з написом A, B і C, кожна з яких розташована вздовж кожного із трьох можливих шляхів фотона. Розглядаючи самоінтерференцію зондового фотона, можна буде ретроспективно укласти з упевненістю, що частка затвора знаходилася в даному ящику у певний час.

Експеримент сконструйований таким чином, щоб пробний фотон міг показувати лише інтерференцію у разі взаємодії з фотоном затвора у певній послідовності місць і часів: а саме, якщо фотон затвора знаходився в обох блоках A і C в певний момент часу (t1), то при пізнішому часу (t2) - тільки в C і ще в більш пізній час (t3) - як у B, так і в C. Таким чином, інтерференція в зондувальному фотоні була б остаточною ознакою того, що фотон затвора дійсно проходить через цю дивну послідовність розрізнених явищ серед ящиків у різний час - ідея Еліцура, Коена та Ааронова, які минулого року припустили, що одна частка одночасно проходить по трьох ящиках. "Мені подобається, як ця стаття ставить питання про те, що відбувається з точки зору цілих історій, а не миттєвих станів", - каже фізик Кен Уортон з Університету штату Сан-Хосе, який не бере участі в новому проекті. "Говорити про "стани"- це стара повсюдна упередженість, тоді як повні історії, як правило, набагато багатші і цікавіші".

Це саме те, до чого, за твердженням Еліцура, дає доступ новий експеримент з TSVF. Очевидне зникнення частинок в одному місці за один раз - та їх повторна поява в інших місцях і часі - передбачає нове та незвичайне бачення лежачих в основі процесів, пов'язаних із нелокальним існуванням квантових частинок. Завдяки об'єктиву TSVF, каже Еліцур, це мерехтливе, постійно мінливе існування можна зрозуміти як серію подій, у яких присутність частки в одному місці якимось чином «скасовується» своєю власною «протилежною стороною» в тому самому місці. Він порівнює це з поняттям, введеним британським фізиком Полом Діраком у 1920-х роках, який стверджував, що частки мають античастинки, і, якщо їх зібрати разом, частка і античастка можуть знищити одна одну. Ця картина спочатку здавалася просто манерою говорити, але невдовзі призвела до відкриття антиматерії. Зникнення квантових частинок не є «анігіляцією» в цьому ж сенсі, але воно дещо аналогічне - ці передбачувані протилежні частинки, вважає Еліцур, повинні мати негативну енергію і негативну масу, дозволяючи їм скасувати їх аналоги.

Тому, хоча традиційні «два місця одночасно» суперпозиції можуть здаватися досить дивними, «можливо, суперпозиція є сукупністю станів, які ще більш божевільні» - каже Еліцур. «Квантова механіка просто розповідає вам про їхній середній стан». Подальший вибір дозволяє ізолювати та перевірити лише деякі з цих станів із великим дозволом, припускає він. Така інтерпретація квантової поведінки була б, за його словами, «революційною», бо це спричинило б досі неприпустимий звіринець реальних (але дуже дивних) станів, що лежать в основі суперечливих квантових явищ.

Дослідники кажуть, що проведення фактичного експерименту вимагатиме тонкого налаштування продуктивності їх квантових маршрутизаторів, але вони сподіваються, що їхня система буде готова до нього через три-п'ять місяців. Поки що деякі спостерігачі чекають на нього із завмиранням серця. «Експеримент має працювати, – каже Уортон, – але він нікого не переконає, оскільки результати прогнозуються стандартною квантовою механікою». Інакше кажучи, немає вагомих підстав інтерпретувати результат у термінах TSVF.

Еліцур погоджується, що їхній експеримент міг бути задуманий з використанням загальноприйнятого погляду на квантову механіку, яка панувала десятиліття тому, але цього ніколи не було. « Хіба це не є добрим показником надійності TSVF?» - Запитує він. І якщо хтось подумає, що вони можуть сформулювати іншу картину того, що дійсно відбувається в цьому експерименті, використовуючи стандартну квантову механіку, він додає: Добре, хай вони спробують!»

Зазвичай ми думаємо про квантову фізику як таку, що описує поведінку субатомних частинок, а не поведінки людей. Але ця ідея не така вже й надумана, каже Вонг. Також вона наголошує, що її дослідницька програма не передбачає, що наші мізки – буквально квантові комп'ютери. Вонг і колеги зосереджені не так на фізичних аспектах мозку, а скоріш тому, як абстрактні математичні принципи квантової теорії можуть допомогти у розумінні людської свідомості та поведінки.

«Як у соціальних, так і в біхевіоральних науках ми часто використовуємо імовірнісні моделі. Наприклад, ми ставимо питання, яка ймовірність того, що людина діятиме певним чином чи ухвалить певне рішення? Традиційно, ці моделі всі ґрунтуються на класичній теорії ймовірностей – яка виникла з класичної фізики ньютонових систем. Що екзотичного в тому, що соціальні вчені думатимуть про квантові системи та їх математичні принципи?».

Має справу з двозначністю у фізичному світі. Стан конкретної частки, її енергії, її становища - все це невизначено і має бути розраховано у термінах ймовірностей. Квантове пізнання народжується, коли людина має справу з психічною двозначністю. Іноді ми не впевнені у своїх почуттях, відчуваємо неоднозначність у виборі варіанта, або змушені приймати рішення, що ґрунтуються на обмеженій інформації.

“Наш мозок не може зберігати все. Ми не завжди маємо чіткого уявлення про те, що відбувається. Але якщо ви поставите мені питання на кшталт «що ти хочеш на вечерю?», я подумаю і прийду до конструктивної та чіткої відповіді, – каже Вонг. - Це квантове пізнання».

«Я думаю, що математичний формалізм, який забезпечує квантова теорія, узгоджується з тим, що ми інтуїтивно відчуваємо як психологи. Квантова теорія може бути інтуїтивної взагалі, коли використовується для опису поведінки частки, але цілком інтуїтивна, коли з її допомогою описується наше типове невизначене і неоднозначне мислення».

Вона використовує приклад кота Шредінгера - , в якому кіт усередині ящика з певною ймовірністю одночасно і живий, і мертвий. Обидва варіанти потенційні у нашій свідомості. Тобто у кота є потенціал бути одночасно мертвим чи живим. Цей ефект називається квантовою суперпозицією. Коли ми відкриваємо ящик, обидві ймовірності більше не існують, і кіт повинен виявитися живим чи мертвим.

З квантовою свідомістю, кожне прийняте нами рішення – наш власний унікальний кіт Шредінгера.

Коли ми перебираємо варіанти, переглядаємо їх своїм внутрішнім поглядом. Якийсь час усі варіанти співіснують з різним ступенем потенціалів: на кшталт суперпозиції. Потім, коли ми вибираємо один варіант, решта перестає існувати для нас.

Змоделювати цей процес математично важко, частково тому, що кожен можливий варіант додає рівняння ваги. Якщо під час виборів людині пропонують вибрати із двадцяти кандидатів у бюлетені, проблема вибору стає очевидною (якщо людина вперше бачить їхні імена). Питання з відкритим кінцем на кшталт «як ви почуваєтеся?» залишають ще більше можливих варіантів.

З класичним підходом до психології відповіді можуть зовсім не мати сенсу, тому вченим потрібно побудувати нові математичні аксіоми, щоб пояснити поведінку в кожному окремому випадку. Результат: з'явилося багато класичних психологічних моделей, деякі з яких конфліктують між собою, і жодна з яких не застосовується до кожної ситуації.

З квантовим підходом, як зазначає Вонг та її колеги, багато складних та комплексних аспектів поведінки можуть бути пояснені одним обмеженим набором аксіом. Та ж квантова модель, що пояснює, чому порядок питань впливає на відповіді опитуваних людей, також пояснює порушення раціональності у парадигмі «дилеми ув'язненого», ефекту, коли люди працюють спільно, навіть якщо це зовсім не в їхніх інтересах.

«Дилема ув'язненого та порядок питань – два абсолютно різні ефетки в класичній психології, але вони обидва можуть бути пояснені однією квантовою моделлю, – каже Вонг. - З її ж допомогою можна пояснити багато інших, незв'язаних та загадкових висновків у психології. Причому елегантно».

29.10.2016

Незважаючи на звучність та загадковість сьогоднішньої теми, ми постараємося розповісти, що вивчає квантова фізика, простими словами, які розділи квантової фізики мають місце і навіщо потрібна квантова фізика в принципі.

Пропонований нижче матеріал доступний розуміння будь - якому .

Перш ніж говорити про те, що вивчає квантова фізика, буде доречно згадати, з чого все починалося.

До середини ХІХ століття людство впритул зайнялося вивченням проблем, вирішити які з допомогою залучення апарату класичної фізики було неможливо.

Ряд явищ здавалися «дивними». Окремі питання взагалі не знаходили відповіді.

У 1850-ті роки Вільям Гамільтон, вважаючи, що класична механіка не здатна точно описати рух світлових променів, пропонує власну теорію, що увійшла в історію науки під назвою формалізм Гамільтона-Якобі, в основі якої лежав постулат хвильової теорії світла.

У 1885 р., посперечавшись із приятелем, швейцарський і фізик Йоган Бальмер вивів емпірично формулу, яка дозволяла розрахувати довжини хвиль спектральних ліній з дуже високою точністю.

Пояснити причини виявлених закономірностей Бальмер тоді не зміг.

У 1895 р. Вільгельм Рентген при дослідженні катодних променів відкрив випромінювання, назване ним X-променями (згодом перейменованими в промені), що характеризувалося потужним проникаючим характером.

Ще через рік – у 1896 році – Анрі Беккерель, вивчаючи солі урану, відкрив мимовільне випромінювання з аналогічними властивостями. Нове явище було названо радіоактивністю.

У 1899 році було доведено хвильову природу рентгенівських променів.

Фото 1. Родоначальники квантової фізики Макс Планк, Ервін Шредінгер, Нільс Бор

1901 рік ознаменувався появою першої планетарної моделі атома, запропонованої Жаном Перреном. На жаль, вчений сам відмовився від цієї теорії, не знайшовши їй підтвердження з позицій теорії електродинаміки.

Через два роки вчений із Японії Хантаро Нагаока запропонував чергову планетарну модель атома, в центрі якого мала бути позитивно заряджена частка, навколо якої по орбітах оберталися б електрони.

Ця теорія, проте, не враховувала випромінювання, що випускається електронами, тому не могла, наприклад, пояснити теорію спектральних ліній.

Розмірковуючи над будовою атома, в 1904 Джозеф Томсон вперше інтерпретував поняття валентності з фізичної точки зору.

Роком народження квантової фізики, мабуть, можна визнати 1900-й, пов'язуючи з ним виступ Макса Планка на засіданні Німецького фізичного.

Саме Планк запропонував теорію, що об'єднала безліч досі розрізнених фізичних понять, формул і теорій, включаючи постійну Больцмана, що ув'язує енергію і температуру, число Авогадро, закон усунення Вина, заряд електрона, закон випромінювання -Больцмана.

Їм же узвичаєно поняття кванта дії (друга – після постійної Больцмана – фундаментальна постійна).

Подальший розвиток квантової фізики безпосередньо пов'язаний з іменами Хендріка Лоренца, Альберта Ейнштейна, Ернста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нільса Бора, Ервіна Шредінгера, Луї де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Пау, Вольфганга Пау які творили в першій половині XX століття.

Вченим вдалося з небувалою глибиною пізнати природу елементарних частинок, вивчити взаємодії частинок та полів, виявити кваркову природу матерії, вивести хвильову функцію, пояснити фундаментальні поняття дискретності (квантування) та корпускулярно-хвильового дуалізму.

Квантова теорія як ніяка інша наблизила людство до розуміння фундаментальних законів світобудови, замінила звичні поняття точнішими, змусила переосмислити дуже багато фізичних моделей.

Що вивчає квантова фізика?

Квантова фізика визначає характеристики матерії лише на рівні мікроявлений, досліджуючи закони руху микрообъектов (квантових об'єктів).

Предмет вивчення квантової фізикистановлять квантові об'єкти, що мають розміри 10 -8 см і менше. Це:

• молекули,
• атоми,
• атомні ядра,
• елементарні частки.

Головні характеристики мікрооб'єктів - маса спокою та електричний заряд. Маса одного електрона (me) дорівнює 9,1 · 10 -28 г.

Для порівняння – маса мюона дорівнює 207 me, нейтрону – 1839 me, протону 1836 me.

Деякі частинки взагалі немає маси спокою (нейтрино, фотон). Їхня маса становить 0 me.

Електричний заряд будь-якого мікрооб'єкта кратний величині заряду електрона, що дорівнює 1,6 · 10 -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти, заряд яких дорівнює нулю.

Фото 2. Квантова фізика змусила переглянути традиційні погляди на поняття хвилі, поля та частки

Електричний заряд складного мікрооб'єкта дорівнює сумі алгебри зарядів складових його частинок.

До властивостей мікрооб'єктів належить спин(У дослівному перекладі з англійської - "обертатися").

Його прийнято інтерпретувати як не залежить від зовнішніх умов момент імпульсу квантового об'єкта.

Спину складно підібрати адекватний образ у реальному світі. Його не можна уявляти обертовим дзиґом через його квантову природу. Класична фізика описати цей об'єкт не спроможна.

Присутність спину впливає на поведінку мікрооб'єктів.

Наявність спина вносить суттєві особливості у поведінку об'єктів мікросвіту, більшість яких – нестабільних об'єктів – мимоволі розпадається, перетворюючись на інші квантові об'єкти.

Стабільні мікрооб'єкти, яких відносять нейтрино, електрони, фотони, протони, і навіть атоми і молекули, здатні розпадатися лише під впливом потужної енергії.

Квантова фізика повністю вбирає класичну фізику, розглядаючи її своїм граничним випадком.

Фактично квантова фізика і є – у широкому значенні – сучасною фізикою.

Те, що описує квантова фізика в мікросвіті, сприйняти неможливо. Через це багато положень квантової фізики важко уявити, на відміну від об'єктів, що описуються класичною фізикою.

Незважаючи на це нові теорії дозволили змінити наші уявлення про хвилі та частинки, про динамічний та ймовірнісний опис, про безперервний та дискретний.

Квантова фізика – це просто новомодна теорія.

Це теорія, яка зуміла передбачити та пояснити неймовірну кількість явищ – від процесів, що протікають в атомних ядрах, до макроскопічних ефектів у космічному просторі.

Квантова фізика – на відміну від фізики класичної – вивчає матерію на фундаментальному рівні, даючи інтерпретації явищам навколишньої дійсності, які традиційна фізика дати не здатна (наприклад, чому атоми зберігають стійкість або чи елементарні частинки є елементарними).

Квантова теорія дає нам можливість описувати світ точніше, ніж було прийнято до її виникнення.

Значення квантової фізики

Теоретичні напрацювання, що становлять сутність квантової фізики, застосовні для дослідження як неймовірно величезних космічних об'єктів, так і виключно малих за розмірами елементарних частинок.

Квантова електродинаміказанурює нас у світ фотонів та електронів, наголошуючи на вивченні взаємодій між ними.

Квантова теорія конденсованих середовищпоглиблює наші знання про надплинні рідини, магнетики, рідкі кристали, аморфні тіла, кристали і полімери.

Фото 3. Квантова фізика дала людству набагато точніший опис навколишнього світу

Наукові дослідження останніх десятиліть зосереджені на вивченні кваркової структури елементарних частинок у рамках самостійної гілки квантової фізики. квантової хромодинаміки.

Нерелятивістська квантова механіка(Та, що знаходиться за рамками теорії відносності Ейнштейна) вивчає мікроскопічні об'єкти, що рухаються з умовно невисокою швидкістю (менше, ніж ), властивості молекул та атомів, їх будову.

Квантова оптиказаймається науковою опрацюванням фактів, пов'язаних із проявом квантових властивостей світла (фотохімічних процесів, теплового та вимушеного випромінювань, фотоефекту).

Квантова теорія поляє об'єднуючим розділом, що увібрав у собі ідеї теорії відносності та квантової механіки.

Наукові теорії, розроблені в рамках квантової фізики, надали потужного імпульсу розвитку, квантової електроніки, техніки, квантової теорії твердого тіла, матеріалознавства, квантової хімії.

Без появи та розвитку зазначених галузей знання було б неможливе створення космічних кораблів, атомних криголамів, мобільного зв'язку та багатьох інших корисних винаходів.

Ніхто не розуміє, що така свідомість і як вона працює. Ніхто не розуміє й квантової механіки. Чи може це бути більшим, ніж просто збіг? "Я не можу визначити реальну проблему, тому підозрюю, що реальної проблеми немає, але я не впевнений, що немає жодної реальної проблеми". Американський фізик Річард Фейнман сказав це про загадкові парадокси квантової механіки. Сьогодні цю теорію фізики використовують для опису найдрібніших об'єктів у Всесвіті. Але так само він міг сказати про заплутану проблему свідомості.

Деякі вчені думають, що ми вже розуміємо свідомість чи це просто ілюзія. Але багатьом іншим здається, що ми взагалі навіть близько не підібралися до суті свідомості.

Багаторічна головоломка під назвою «свідомість» навіть призвела до того, що деякі вчені спробували пояснити її за допомогою квантової фізики. Але їх старанність була зустрінута з часткою скепсису, і це не дивно: здається нерозумним пояснювати одну загадку за допомогою іншої.

Але такі ідеї жодного разу не абсурдні і навіть не зі стелі взялися.

З одного боку, на превелике невдоволення фізиків, розум спочатку відмовляється осягати ранню квантову теорію. Більше того, квантові комп'ютери, за прогнозами, будуть здатні на такі речі, на які не здатні звичайні комп'ютери. Це нагадує нам, що наш мозок досі здатний на подвиги, недоступні штучному інтелекту. «Квантова свідомість» широко висміюється як містична нісенітниця, але ніхто так і не зміг її остаточно розвіяти.

Квантова механіка – найкраща теорія, яка у нас є, здатна описати світ на рівні атомів та субатомних частинок. Мабуть, найвідомішою з її загадок є той факт, що результат квантового експерименту може змінюватися в залежності від того, вирішуємо ми виміряти властивості частинок, що беруть участь у ньому, чи ні.

Коли першопрохідники квантової теорії вперше виявили цей «ефект спостерігача», вони стривожилися не на жарт. Здавалося, він підриває припущення, що лежить в основі всієї науки: що там існує об'єктивний світ, незалежний від нас. Якщо світ справді поводиться залежно від цього, як - чи якщо - ми дивимося нею, що означатиме «реальність» насправді?

Деякі вчені були змушені зробити висновок, що об'єктивність - це ілюзія, і що свідомість повинна відігравати активну роль у квантовій теорії. Інші ж просто не бачили в цьому жодного здорового глузду. Наприклад, Альберт Ейнштейн був роздратований: невже Місяць існує, тільки коли ви на нього дивитеся?

Сьогодні деякі фізики підозрюють, що справа не в тому, що свідомість впливає на квантову механіку... а в тому, що вона взагалі з'явилася завдяки їй. Вони вважають, що квантова теорія може знадобитися нам, аби взагалі зрозуміти, як працює мозок. Чи може бути таке, що як квантові об'єкти можуть бути у двох місцях одночасно, так і квантовий мозок може одночасно мати на увазі дві взаємовиключні речі?

Ці ідеї викликають суперечки. Може бути так, що квантова фізика ніяк не пов'язана з роботою свідомості. Але вони хоч демонструють, що дивна квантова теорія змушує нас думати про дивні речі.

Найкраще квантова механіка пробивається у свідомість людини через експеримент із подвійною щілиною. Уявіть собі промінь світла, який падає на екран із двома близько розташованими паралельними щілинами. Частина світла проходить через щілини та падає на інший екран.

Можна уявити світло у вигляді хвилі. Коли хвилі проходять через дві щілини, як у експерименті, вони стикаються – інтерферують – між собою. Якщо їх піки збігаються, вони посилюють один одного, що виливається в серію чорно-білих смуг світла на другому чорному екрані.

Цей експеримент використовувався, щоб показати хвильовий характер світла більше 200 років, поки не з'явилася квантова теорія. Тоді експеримент із подвійною щілиною провели із квантовими частинками – електронами. Це крихітні заряджені частинки, компоненти атома. Незрозуміло, але ці частинки можуть поводитися як хвилі. Тобто вони зазнають дифракції, коли потік частинок проходить через дві щілини, виробляючи інтерференційну картину.

Тепер припустимо, що квантові частинки проходять через щілини одна за одною і їхнє прибуття на екран теж буде покроково. Тепер немає нічого очевидного, що змушувало б частинку інтерферувати на її шляху. Але картина влучення частинок все одно демонструватиме інтерференційні смуги.

Все вказує на те, що кожна частка одночасно проходить через обидві щілини та інтерферує сама з собою. Це поєднання двох шляхів відоме як стан суперпозиції.

Але що дивно.

Якщо розмістити детектор в одній із щілин чи за нею, ми могли б з'ясувати, чи проходить через неї частинки чи ні. Але в такому разі інтерференція зникає. Простий факт спостереження шляху частки - навіть якщо це спостереження не повинне заважати руху частки - змінює результат.

Фізик Паскуаль Йордан, який працював із квантовим гуру Нільсом Бором у Копенгагені у 1920-х роках, сформулював це так: «Спостереження не лише порушують те, що має бути виміряно, вони це визначають… Ми примушуємо квантову частинку обирати певний стан». Іншими словами, Йордан каже, що «ми самі робимо результати вимірювань».

Якщо це так, об'єктивну реальність можна просто викинути у вікно.

Але на цьому дива не закінчуються.

Якщо природа змінює свою поведінку залежно від того, чи ми дивимося ні, ми могли б спробувати обвести її навколо пальця. Для цього ми могли б виміряти, який шлях вибрала частинка, проходячи через подвійну щілину, але після того, як пройде через неї. На той час вона вже має «визначитися», пройти через один шлях або через обидва.

Провести такий експеримент у 1970-х роках запропонував американський фізик Джон Уілер, і у наступні десять років експеримент із «відкладеним вибором» провели. Він використовує розумні методи вимірювання шляхів квантових частинок (як правило, частинок світла – фотонів) після того, як вони обирають один шлях або суперпозицію двох.

Виявилося, що, як і передбачав Бор, немає жодної різниці, затримуємо ми виміри чи ні. Доки ми вимірюємо шлях фотона до його потрапляння та реєстрацію в детекторі, інтерференції немає. Складається враження, що природа «знає» не лише коли ми підглядаємо, а й коли ми плануємо підглядати.

Юджін Вігнер

Щоразу, коли в цих експериментах ми відкриваємо шлях квантової частки, її хмара можливих маршрутів «стискається» в єдиний чітко визначений стан. Більше того, експеримент із затримкою передбачає, що сам акт спостереження, без будь-якого фізичного втручання, викликаного виміром, може спричинити колапс. Чи означає це, що справжній колапс відбувається лише тоді, коли результат виміру досягає нашої свідомості?

Таку можливість запропонував у 1930-х роках угорський фізик Юджін Вігнер. «З цього випливає, що квантовий опис об'єктів перебуває під впливом вражень, які надходять до моєї свідомості», писав він. «Соліпсизм може бути логічно узгодженим із квантовою механікою».

Вілера навіть забавляла думку про те, що наявність живих істот, здатних «спостерігати», перетворила те, що раніше було безліч можливих квантових минулих, в одну конкретну історію. У цьому сенсі, каже Уілер, ми стаємо учасниками еволюції Всесвіту з самого початку. За його словами, ми живемо у «співучасному всесвіті».

Фізики досі не можуть вибрати найкращу інтерпретацію цих квантових експериментів, і певною мірою право цього надається вам. Але так чи інакше підтекст очевидний: свідомість і квантова механіка якимось чином пов'язані.

Починаючи з 1980-х років, англійський фізик Роджер Пенроуз припустив, що цей зв'язок може працювати в іншому напрямку. Він сказав, що незалежно від того, чи впливає свідомість на квантову механіку чи ні, можливо, квантова механіка бере участь у свідомості.

Фізик та математик Роджер Пенроуз

І ще Пенроуз запитав: що, якщо у нашому мозку існують молекулярні структури, здатні змінювати свій стан у відповідь на одну квантову подію? Чи можуть ці структури приймати стан суперпозиції, подібно до частинок в експерименті з подвійною щілиною? Чи можуть ці квантові суперпозиції потім виявлятися в тому, як нейрони повідомляються за допомогою електричних сигналів?

Може, казав Пенроуз, наша здатність підтримувати, здавалося б, несумісні психічні стани не дива сприйняття, а реальний квантовий ефект?

Зрештою, людський мозок, схоже, може обробляти когнітивні процеси, які досі за можливостями набагато перевершують цифрові обчислювальні машини. Можливо, ми навіть здатні виконувати обчислювальні завдання, які не можна виконати на звичайних комп'ютерах, які використовують класичну цифрову логіку.

Пенроуз вперше припустив, що квантові ефекти присутні в людській свідомості, у книзі 1989 'The Emperor's New Mind'. Головною його ідеєю стала «оркестрована об'єктивна редукція». Об'єктивна редукція, на думку Пенроуза, означає, що колапс квантової інтерференції та суперпозиції є реальним фізичним процесом, ніби міхур, що лопається.

Оркестрована об'єктивна редукція спирається на припущення Пенроуза про те, що гравітація, яка впливає на повсякденні об'єкти, стільці чи планети, не демонструє квантових ефектів. Пенроуз вважає, що квантова суперпозиція стає неможливою для об'єктів більше атомів, тому що їх гравітаційний вплив у такому разі призвів би до існування двох несумісних версій простору-часу.

Далі Пенроуз розвивав цю ідею із американським лікарем Стюартом Хамероффом. У книзі «Тіні розуму» (1994) він припустив, що структури, що у цьому квантовому пізнанні, може бути білковими нитками - микротрубочками. Вони є у більшості наших клітин, у тому числі і нейронах мозку. Пенроуз і Хамерофф стверджували, що процес коливання мікротрубочки можуть приймати стан квантової суперпозиції.

Але немає нічого на підтримку того, що це взагалі можливе.

Припускали, що ідею квантових суперпозицій у мікротрубочках підтримають експерименти, запропоновані у 2013 році, але насправді у цих дослідженнях не згадувалося про квантові ефекти. Крім того, більшість дослідників вважають, що ідея оркестрованих об'єктивних редукцій була розвінчена дослідженням, опублікованим у 2000 році. Фізик Макс Тегмарк розрахував, що квантові суперпозиції молекул, залучених до нейронних сигналів, не зможуть проіснувати навіть миті часу, необхідного для передачі сигналу.

Квантові ефекти, включаючи суперпозицію, дуже тендітні і руйнуються в процесі так званої декогеренції. Цей процес зумовлений взаємодіями квантового об'єкта з навколишнім середовищем, оскільки його «квантовість» витікає.

Декогеренція, як вважали, повинна протікати надзвичайно швидко у теплих та вологих середовищах, таких як живі клітини.

Нервові сигнали – це електричні імпульси, викликані проходженням електрично заряджених атомів через стінки нервових клітин. Якщо один із таких атомів був у суперпозиції, а потім зіткнувся з нейроном, Тегмарк показав, що суперпозиція повинна розпадатися менш ніж за одну мільярдну мільярдну частку секунди. Щоб нейрон випустив сигнал, йому потрібно в десять тисяч трильйонів більше часу.

Саме тому ідеї про квантові ефекти у головному мозку не проходять перевірку скептиків.

Але Пенроуз невблаганно наполягає на гіпотезі ГОР. І незважаючи на передбачення надшвидкої декогеренції Тегмарка в клітинах, інші вчені виявили прояви квантових ефектів у живих істот. Деякі стверджують, що квантова механіка використовується перелітними птахами, які використовують магнітну навігацію, та зеленими рослинами, коли вони використовують сонячне світло для виробництва цукру в процесі фотосинтезу.

При цьому думка того, що мозок може використовувати квантові трюки, відмовляється йти назовсім. Тому що на її користь знайшли інший аргумент.

Чи може фосфор підтримувати квантовий стан?

У дослідженні 2015 року фізик Метью Фішер із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі стверджував, що мозок може містити молекули, здатні витримувати більш потужні квантові суперпозиції. Зокрема він вважає, що ядра атомів фосфору можуть мати таку здатність. Атоми фосфору є у живих клітинах всюди. Вони часто набувають форми іонів фосфату, у яких один атом фосфору з'єднується з чотирма атомами кисню.

Такі іони є основною одиницею енергії у клітинах. Більшість енергії клітини зберігається в молекулах АТФ, які містять послідовність із трьох фосфатних груп, з'єднаних з органічною молекулою. Коли один із фосфатів відрізається, вивільняється енергія, яка використовується клітиною.

У клітин є молекулярні машини для збирання іонів фосфату групи і їх розщеплення. Фішер запропонував схему, в якій два фосфатні іони можуть бути розміщені в суперпозиції певного виду: у заплутаному стані.

У ядер фосфору є квантова властивість - спин - яка робить їх схожими на маленькі магніти з полюсами, що вказують у певних напрямках. У заплутаному стані спин одного ядра фосфору залежить від іншого. Іншими словами, заплутані стани - це стан суперпозиції за участю більше однієї квантової частки.

Фішер каже, що квантово-механічна поведінка цих ядерних спинів може протистояти декогеренції. Він згоден з Тегмарком у тому, що квантові вібрації, про які говорили Пенроуз і Хамерофф, сильно залежатимуть від їхнього оточення і «декогеруватимуть майже відразу». Але спини ядер негаразд взаємодіють зі своїм оточенням.

І все ж квантова поведінка спинів ядер фосфору має бути «захищена» від декогеренції.

У квантових частинок може бути різний спин

Це може статися, каже Фішер, якщо атоми фосфору будуть включені до більших об'єктів, які названі «молекулами Познера». Вони є кластерами з шести фосфатних іонів у поєднанні з дев'ятьма іонами кальцію. Існують певні вказівки на те, що такі молекули можуть бути в живих клітинах, але поки що вони не дуже переконливі.

У молекулах Познера, стверджує Фішер, спини фосфору можуть протистояти декогеренції протягом дня або близько того, навіть у живих клітинах. Отже, можуть проводити роботу мозку.

Ідея у тому, що молекули Познера можуть бути поглинені нейронами. Опинившись усередині, молекули активуватимуть сигнал іншому нейрону, розпадаючись і випускаючи іони кальцію. Через заплутаність у молекулах Познера, два таких сигнали можуть виявитися заплутаними у свою чергу: певною мірою, це буде квантова суперпозиція «думки». "Якщо квантова обробка з ядерними спинами насправді присутня в головному мозку, вона була б надзвичайно поширеним явищем, що відбувається постійно", каже Фішер.

Вперше ця ідея спала йому на думку, коли він роздумував про психічну хворобу.

Капсула карбонату літію

"Моє введення в біохімію мозку почалося, коли я вирішив три-чотири роки тому дослідити, як і чому іон літію має такий радикальний ефект при лікуванні психічних відхилень", - каже Фішер.

Літійові препарати широко використовуються для лікування біполярного розладу. Вони працюють, але ніхто насправді не знає, чому.

«Я не шукав квантового пояснення, каже Фішер. Але потім він натрапив на роботу, в якій описувалося, що препарати літію надавали різний вплив на поведінку щурів залежно від того, яка форма або ізотоп літію використовувалася.

Спочатку це спантеличило вчених. З хімічної точки зору різні ізотопи поводяться майже однаково, тому якщо літій працював як звичайний препарат, ізотопи повинні були мати один і той же ефект.

Нервові клітини пов'язані із синапсами

Але Фішер зрозумів, що ядра атомів різних ізотопів літію можуть мати різні спини. Ця квантова властивість може впливати на те, як діють препарати на основі літію. Наприклад, якщо літій замінює кальцій у молекулах Познера, спини літію можуть впливати на атоми фосфору і перешкоджати їхньому заплутуванню.

Якщо це правильно, то зможе пояснити, чому літій може лікувати біполярний розлад.

На даний момент припущення Фішера є не більш ніж інтригуючою ідеєю. Але є кілька способів її перевірити. Наприклад, спини фосфору в молекулах Познера можуть зберігати квантову когерентність протягом тривалого часу. Це Фішер і має намір перевірити далі.

І все ж таки він побоюється бути пов'язаним з більш ранніми уявленнями про «квантову свідомість», які вважає в кращому разі спекулятивними.

Свідомість – глибока таємниця

Фізики не дуже люблять виявлятися всередині своїх теорій. Багато хто з них сподівається, що свідомість і мозок можна буде витягти з квантової теорії, а може, і навпаки. Але ж ми не знаємо, що така свідомість, не кажучи вже про те, що у нас немає теорії, яка її описує.

Більше того, зрідка звучать гучні вигуки, що квантова механіка дозволить нам опанувати телепатію та телекінез (і хоча десь на глибині концепцій це може бути так, люди розуміють все занадто буквально). Тому фізики взагалі побоюються згадувати слова «квантовий» та «свідомість» в одному реченні.

У 2016 році Едріан Кент з Кембриджського університету у Великій Британії, один із найшанованіших «квантових філософів», припустив, що свідомість може змінювати поведінку квантових систем тонким, але цілком виявленим чином. Кент дуже обережний у своїх висловлюваннях. «Немає жодних переконливих підстав вважати, що квантова теорія - це відповідна теорія, з якої можна отримати теорію свідомості, або що проблеми квантової теорії повинні якось перетинатися з проблемою свідомості», - визнає він.

Але додає, що зовсім незрозуміло, як можна вивести опис свідомість, ґрунтуючись виключно на доквантовій фізиці, як описати всі його властивості та риси.

Ми не розуміємо, як працюють думки

Одне особливо хвилююче питання - як наш свідомий розум може відчувати унікальні відчуття на зразок червоного кольору або запаху смаження м'яса. Якщо не рахувати людей з порушеннями зору, всі ми знаємо, на що схожий червоний, але не можемо передати це почуття, а у фізиці немає нічого, що могло б нам розповісти, на що це схоже.

Почуття на кшталт цих називають «кваліа». Ми сприймаємо їх як єдині властивості зовнішнього світу, але насправді є продуктами нашої свідомості - і це важко пояснити. 1995 року філософ Девід Чалмерс назвав це «важкою проблемою» свідомості.

«Будь-який ланцюжок у думках про зв'язок свідомості з фізикою призводить до серйозних проблем», говорить Кент.

Це спонукало його припустити, що «ми могли б досягти деякого прогресу в розумінні проблеми еволюції свідомості, якби допустили (хоча б просто допустили), що свідомість змінює квантові ймовірності».

Іншими словами, мозок може справді впливати на результати вимірів.

З цього погляду він не визначає, «що є реальним». Але він може впливати на ймовірність того, що кожна з можливих реальностей, нав'язаних квантовою механікою, спостерігатиметься. Цього не може передбачити навіть квантова теорія. І Кент вважає, що ми могли б пошукати такі прояви експериментально. Навіть сміливо оцінює шанси знайти їх.

«Я припустив би з 15-відсотковою впевненістю, що свідомість викликає відхилення від квантової теорії; і ще 3-відсоткової – що ми експериментально підтвердимо це у наступні 50 років», каже він.

Якщо це станеться, світ уже не буде тим самим. А заради цього варто дослідити.

Напевно, Ви багато разів чули про незрозумілі таємниці квантової фізики та квантової механіки. Її закони зачаровують містикою і навіть самі фізики зізнаються, що до кінця не розуміють їх. З одного боку, цікаво зрозуміти ці закони, але з іншого боку, немає часу читати багатотомні та складні книги з фізики. Я дуже розумію Вас, бо теж люблю пізнання та пошук істини, але часу на всі книги катастрофічно не вистачає. Ви не самотні, дуже багато допитливих людей набирають у пошуковому рядку: «квантова фізика для чайників, квантова механіка для чайників, квантова фізика для початківців, квантова механіка для початківців, основи квантової фізики, основи квантової механіки, квантова фізика для дітей, що таке механіка». Саме для Вас ця публікація.

Вам стануть зрозумілі основні поняття та парадокси квантової фізики. Зі статті Ви дізнаєтесь:

• Що таке квантова фізика та квантова механіка?
• Що таке інтерференція?
• Що таке квантова заплутаність (або Квантова телепортація для чайників)? (див. статтю)
• Що таке уявний експеримент "Кіт Шредінгера"? (див. статтю)

Квантова механіка – це частина квантової фізики.

Чому ж так складно зрозуміти ці науки? Відповідь проста: квантова фізика та квантова механіка (частина квантової фізики) вивчають закони мікросвіту. І ці закони абсолютно відрізняються від законів нашого макросвіту. Тому нам важко уявити те, що відбувається з електронами та фотонами у мікросвіті.

Приклад відмінності законів макро- та мікросвітів: у нашому макросвіті, якщо Ви покладете кулю в одну з 2-х коробок, то в одній з них буде порожньо, а в іншій - куля. Але в мікросвіті (якщо замість кулі – атом), атом може знаходитися одночасно у двох коробках. Це багаторазово підтверджено експериментально. Чи не так, важко це вмістити в голові? Але з фактами не посперечаєшся.

Ще один приклад.Ви сфотографували червону спортивну машину, що швидко мчить, і на фото побачили розмиту горизонтальну смугу, ніби-машина в момент фото знаходилася з декількох точках простору. Незважаючи на те, що Ви бачите на фото, Ви все одно впевнені, що машина в ту секунду, коли Ви її фотографували, знаходилася. в одному конкретному місці у просторі. У мікро світі все не так. Електрон, що обертається навколо ядра атома, насправді не обертається, а знаходиться одночасно у всіх точках сферинавколо атома ядра. На зразок намотаного нещільно клубка пухнастої вовни. Це поняття у фізиці називається «електронною хмарою» .

Невеликий екскурс в історію.Вперше про квантовий світ вчені замислилися, коли 1900 року німецький фізик Макс Планк спробував з'ясувати, чому при нагріванні метали змінюють колір. Саме він увів поняття кванта. До цього вчені думали, що світло поширюється безперервно. Першим, хто серйозно сприйняв відкриття Планка, був тоді нікому невідомий Альберт Енштейн. Він зрозумів, що світло – це не лише хвиля. Іноді він поводиться, як частка. Енштейн отримав Нобелівську премію за своє відкриття, що світло випромінюється порціями, квантами. Квант світла називається фотоном ( фотон, Вікіпедія) .

Для того, щоб легше було зрозуміти закони квантової фізикиі механіки (Вікіпедія), Треба у певному сенсі абстрагуватися від звичних нам законів класичної фізики. І уявити, що Ви занурилися, як Аліса, в кролячу нору, в Країну чудес.

А ось і мультик для дітей та дорослих.Розповідає про фундаментальний експеримент квантової механіки з двома щілинами та спостерігачем. Триває лише 5 хвилин. Подивіться його перед тим, як ми заглибимося в основні питання та поняття квантової фізики.

Квантова фізика для чайників. У мультику зверніть увагу на «око» спостерігача. Він став серйозною загадкою для вчених-фізиків.

Що таке інтерференція?

На початку мультика було показано на прикладі рідини, як поводяться хвилі - на екрані за пластиною зі щілинами з'являються темні і світлі вертикальні смуги, що чергуються. А у випадку, коли в пластину «стріляють» дискретними частинками (наприклад, камінчиками), то вони пролітають крізь 2 щілини і потрапляють на екран навпроти щілин. І «малюють» на екрані лише 2 вертикальні смуги.

Інтерференція світла– це «хвильова» поведінка світла, коли на екрані відображається багато яскравих і темних вертикальних смуг, що чергуються. Ще ці вертикальні смуги називаються інтерференційною картиною.

У нашому макросвіті ми часто спостерігаємо, що світло поводиться як хвиля. Якщо поставити руку навпроти свічки, то на стіні буде не чітка тінь від руки, а з контурами, що розпливаються.

Отже, не так вже й складно! Нам зараз цілком зрозуміло, що світло має хвильову природу і якщо дві щілини освітлювати світлом, то на екрані за ними ми побачимо інтерференційну картину. Тепер розглянемо 2 експеримент. Це знаменитий експеримент Штерна-Герлаха (який провели у 20-х роках минулого століття).

В установку, описану в мультику, світлом не світили, а «стріляли» електронами (як окремими частинками). Тоді, на початку минулого століття, фізики всього світу вважали, що електрони – це елементарні частинки матерії і повинні мати не хвильову природу, а таку, як камінчики. Адже електрони це елементарні частинки матерії, правильно? Тобто, якщо ними «кидати» у 2 щілини, як камінчиками, то на екрані за прорізами ми повинні побачити 2 вертикальні смужки.

Але… Результат був приголомшливий. Вчені побачили інтерференційну картину – багато вертикальних смужок. Тобто електрони, як і світло, теж можуть мати хвильову природу, можуть інтерферувати. А з іншого боку стало зрозуміло, що світло не лише хвиля, а й частка і фотон (з історичної довідки на початку статті ми дізналися, що за це відкриття Енштейн отримав Нобелівську премію).

Може пам'ятаєте, у школі нам розповідали на фізиці про «корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Він означає, що коли йдеться про дуже маленькі частинки (атоми, електрони) мікросвіту, то вони одночасно і хвилі, і частки

Це сьогодні ми з Вами такі розумні і розуміємо, що 2 вище описані експерименти – стрілянина електронами та освітлення щілин світлом – суть одне й теж. Тому що ми стріляємо по прорізах квантовими частинками. Зараз ми знаємо, що і світло, і електрони мають квантову природу, є хвилями і частинками одночасно. А на початку 20 століття результати цього експерименту були сенсацією.

Увага! Тепер перейдемо до більш тонкого питання.

Ми світимо на наші щілини потоком фотонів (електронів) і бачимо за щілинами на екрані інтерференційну картину (вертикальні смужки). Це зрозуміло. Але нам цікаво побачити, як пролітає кожен із електронів у прорізі.

Імовірно, один електрон летить у лівий проріз, інший – у правий. Але тоді повинні на екрані з'явитися дві вертикальні смужки прямо навпроти прорізів. Чому ж виходить інтерференційна картина? Може електрони якось взаємодіють між собою вже на екрані після прольоту через щілини. І в результаті виходить така хвилева картина. Як нам за цим простежити?

Будемо кидати електрони не пучком, а по одному. Кинемо, почекаємо, кинемо наступний. Тепер, коли електрон летить один, він не зможе взаємодіяти на екрані з іншими електронами. Реєструватимемо на екрані кожен електрон після кидка. Один-два, звичайно, не «намалюють» нам зрозумілої картини. Але коли по одному відправимо в прорізі їх багато, то зауважимо ... жах - вони знову «намалювали» інтерференційну хвильову картину!

Починаємо повільно божеволіти. Адже ми очікували, що буде 2 вертикальні смужки навпроти щілин! Виходить, що коли ми кидали фотони по одному, кожен з них проходив, як через 2 щілини одночасно і інтерферував сам з собою. Фантастика! Повернемося до пояснення цього феномена у наступному розділі.

Що таке спін та суперпозиція?

Ми знаємо, що таке інтерференція. Це хвильова поведінка мікро частинок - фотонів, електронів, інших мікро частинок (давайте для простоти з цього моменту називати їх фотонами).

В результаті експерименту, коли ми кидали у 2 щілини по 1 фотону, ми зрозуміли, що він пролітає начебто через дві щілини одночасно. Інакше як пояснити інтерференційну картину на екрані?

Але як уявити картину, що фотон пролітає крізь дві щілини одночасно? Є 2 варіанти.

• 1-й варіант:фотон, як хвиля (як вода) «пропливає» крізь 2 щілини одночасно
• 2-й варіант:фотон, як частка, летить одночасно по 2 траєкторіях (навіть не по двох, а по всіх відразу)

У принципі ці твердження рівносильні. Ми прийшли до «інтегралу з траєкторій». Це формулювання квантової механіки від Річарда Фейнмана.

До речі, саме Річарду Фейнмануналежить відомий вислів, що впевнено можна стверджувати, що квантову механіку ніхто не розуміє

Але це його вираз працював на початку століття. Але ми тепер розумні і знаємо, що фотон може вести себе і як частка, і як хвиля. Що він може якимось незрозумілим для нас способом пролітати одночасно через 2 щілини. Тому нам легко буде зрозуміти таке важливе твердження квантової механіки:

Строго кажучи, квантова механіка каже нам, що така поведінка фотона – правило, а не виняток. Будь-яка квантова частка знаходиться, як правило, в декількох станах або в декількох точках простору одночасно.

Об'єкти макросвіту можуть перебувати тільки в одному певному місці та в одному певному стані. Але квантова частка існує за своїми законами. І їй і справи немає до того, що ми їх не розуміємо. На цьому – точка.

Нам залишається просто визнати, як аксіому, що «суперпозиція» квантового об'єкта означає те, що він може перебувати на 2-х або більше траєкторіях одночасно, у 2-х або більше точках одночасно

Те саме стосується й іншого параметра фотона – спину (його власному кутовому моменту). Спин – це вектор. Квантовий об'єкт можна як мікроскопічний магнітик. Ми звикли, що вектор магніту (спин) або спрямований вгору або вниз. Але електрон або фотон знову кажуть нам: «Хлопці, нам начхати, до чого Ви звикли, ми можемо бути в обох станах спина відразу (вектор вгору, вектор вниз), так само, як ми можемо знаходитися на 2-х траєкторіях одночасно або у 2-х точках одночасно!».

Що таке "вимір" або "колапс хвильової функції"?

Нам залишилося небагато - зрозуміти ще, що таке "вимір" і що таке "колапс хвильової функції".

Хвильова функція- Це опис стану квантового об'єкта (нашого фотона або електрона).

Припустимо, у нас є електрон, він летить собі у невизначеному стані, спин його спрямований і вгору, і вниз одночасно. Нам треба виміряти його стан.

Виміряємо за допомогою магнітного поля: електрони, у яких спин був спрямований у напрямку поля, відхилиться в один бік, а електрони, у яких спин спрямований проти поля - в іншу. Ще фотони можна надсилати в поляризаційний фільтр. Якщо спін (поляризація) фотона +1 - він проходить через фільтр, а якщо -1, то ні.

Стоп! Ось тут у Вас неминуче виникне питання:Адже до вимірювання у електрона не було якогось конкретного напрямку спина, так? Адже він був у всіх станах одночасно?

У цьому й полягає фішка і сенсація квантової механіки. Поки Ви не вимірюєте стан квантового об'єкта, він може обертатися у будь-який бік (мати будь-який напрямок вектора власного кутового моменту – спина). Але в момент, коли Ви виміряли його стан, він ніби ухвалює рішення, який вектор спина йому прийняти.

Ось такий крутий цей квантовий об'єкт – сам ухвалює рішення про свій стан.І ми не можемо заздалегідь передбачити, яке рішення він ухвалить, коли влетить у магнітне поле, в якому ми його вимірюємо. Імовірність того, що він вирішить мати вектор спина вгору або вниз - 50 на 50%. Але як тільки він вирішив – він перебуває у певному стані із конкретним напрямком спина. Причиною його вирішення є наш «вимір»!

Це і називається « колапсом хвильової функції». Хвильова функція до виміру була невизначеною, тобто. вектор спина електрона знаходився одночасно у всіх напрямках, після виміру електрон зафіксував певний напрямок вектора свого спина.

Увага! Відмінний для розуміння приклад-асоціація з нашого макросвіту:

Розкрутіть на столі монету, як юлу. Поки монетка крутиться, вона не має конкретного значення — орел або решка. Але як тільки Ви вирішите «виміряти» це значення і закрийте монету рукою, ось тут і отримаєте конкретний стан монети - орел або решка. А тепер уявіть, що ця монета приймає рішення, яке значення Вам "показати" - орел або решка. Приблизно також поводиться і електрон.

А тепер згадайте експеримент, показаний наприкінці мультика. Коли фотони пропускали через щілини, вони поводилися як хвиля і показували на екрані інтерференційну картину. А коли вчені захотіли зафіксувати (виміряти) момент прольоту фотонів через щілину і поставили за екраном «спостерігача», фотони стали поводитися не як хвилі, а як частинки. І намалювали на екрані 2 вертикальні смуги. Тобто. у момент виміру чи спостереження квантові об'єкти самі обирають, у якому стані ним бути.

Фантастика! Чи не правда?

Але це ще не все. Нарешті ми дісталися найцікавішого.

Але… мені здається, що вийде перевантаження інформації, тому ці поняття ми розглянемо в окремих постах:

• Що таке ?
• Що таке уявний експеримент.

А зараз хочете, щоб інформація розклалася по поличках? Перегляньте документальний фільм, підготовлений Канадським інститутом теоретичної фізики. У ньому за 20 хвилин дуже коротко і в хронологічному порядку Вам повідають про всі відкриття квантової фізики, починаючи з відкриття Планка 1900 року. А потім розкажуть, які практичні розробки виконуються зараз на базі знань з квантової фізики: від найточніших атомних годинників до супершвидкісних обчислень квантового комп'ютера. Дуже рекомендую переглянути цей фільм.

До зустрічі!

Бажаю всім натхнення для всіх задуманих планів та проектів!

P.S.2 Пишіть Ваші запитання та думки у коментарях. Пишіть, які ще питання щодо квантової фізики Вам цікаві?

P.S.3 Підписуйтесь на блог - форма для підписки під статтею.