Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?
Демонстрация, которая перевернула идеи великого Исаака Ньютона о природе света, была невероятно простой. Ее «можно повторить с большой легкостью, где бы ни сияло солнце», говорил английский физик Томас Янг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая эксперимент, который сейчас называется экспериментом с двойной щелью. И Янг не был восторженным юнцом. Он придумал элегантный и тщательно продуманный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет состоит из корпускул, то есть частиц.
Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понять, что свет состоит из крошечных неделимых единиц — или квантов — энергии, которые мы называем фотонами. Эксперимент Янга, проводимый с одиночными фотонами или даже с отдельными частицами материи, такими как электроны и нейроны, представляет собой загадку, которая заставляет задуматься о самой природе реальности. Некоторые даже использовали его для утверждений, что на квантовый мир влияет человеческое сознание. Но действительно ли простой эксперимент может продемонстрировать подобное?
Может ли сознание определять реальность? В современной квантовой форме эксперимент Янга включает стрельбу отдельными частицами света или материи через две щели или отверстия, вырезанных в непрозрачном барьере. По одну сторону барьера находится экран, записывающий прибытие частиц (скажем, фотографическая пластинка в случае с фотонами). Здравый смысл заставляет нас ожидать, что фотоны будут проходить или через одну, или через другую щель и накапливаться за соответствующим проходом.
Но нет. Фотоны попадают в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и темноты. Эти так называемые интерференционные полосы напоминают картину встречи двух волн. Когда гребни одной волны выравниваются с гребнями другой, вы получаете конструктивную интерференцию (яркие полосы), а когда гребни выравниваются с впадинами, вы получаете деструктивную интерференцию (темнота).
Но ведь через устройство проходит только один фотон за раз. Похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Это противоречит здравому (классическому) смыслу.
Математически говоря, через обе щели проходит не физическая частица или физическая волна, а так называемая волновая функция — абстрактная математическая функция, представляющая состояние фотона (в данном случае положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает по двум щелям, и новые волны выходят по другую стороны щелей, распространяются и интерферируют между собой. Совмещенная волновая функция позволяет рассчитать вероятность того, где может находиться фотон.
Фотон обладает высокой вероятность оказаться там, где две волновые функции конструктивно интерферируют, и низкой — там, где интерференция деструктивная. Измерения — в данном случае это взаимодействие волновой функции с фотографической пластинкой — приводит к «коллапсу» волновой функции, к ее схлопыванию. В итоге она указывает на одно из мест, в котором фотон материализуется после измерения.
Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике. До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору. Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк.
Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается. «Идея объективного реального мира, мельчайшие частицы которого существуют объективно в таком же смысле, в котором существуют камни или деревья, вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет, — невозможна», писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двойной щелью, чтобы заявить, что «ни одно элементарное квантовое явление не будет явлением, пока не станет зарегистрированным («наблюдаемым», «доподлинно записанным») явлением».
Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где лежит эта грань между классическим и квантовым, и оставляя открытой дверцу для тех, кто считает, что коллапс вызывает человеческое сознание. В прошлом мае Генри Стапп и его коллеги заявили, что эксперимент с двойной щелью и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть необходимым», чтобы наделять смыслом квантовую сферу, и что в основе материального мира лежит трансперсональный разум.
Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики. Если вероятности всплывают в процессе досылания десятков тысяч идентичных фотонов через двойную щель, теория утверждает, что волновая функция каждого фотона схлопнулась — благодаря нечетко определенному процессу под названием измерение. Вот и все.
Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность — это и волна, и частица. Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно, у каждого фотона есть траектория. Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции.
В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из Колледжа Брикбек в Лондоне смоделировали предсказание этой теории о траекториях частиц, которые пройдут через двойную щель. За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений. Несмотря на спорность, эксперименты показали, что теория де Бройля-Бома все еще в состоянии объяснить поведение квантового мира.
Что более важно, этой теории не нужны наблюдатели, или измерения, или нематериальное сознание.
Как не нужны и так называемым теориям коллапса, из которых следует, что волновые функции схлопываются случайным образом: чем больше число частиц в квантовой системе, тем вероятнее коллапс. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель. Теории коллапса предсказывают, что когда частицы материи становятся массивнее определенного порога, они больше не могут оставаться в квантовой суперпозиции и проходить через обе щели одновременно, и это уничтожает картину интерференции. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию. Поиск порога продолжается.
У Роджера Пенроуза была собственная версия теории коллапса, в которой чем выше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует до одного состояния или другого из-за гравитационных нестабильностей. И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.
Концептуально идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поставить одну из щелей в суперпозицию и заставить находиться в двух местах одновременно. По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей. Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза.
В любом случае, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких утверждений о природе реальности, даже если эти заявления хорошо подкреплены математически или философски. И учитывая то, что нейробиологи и философы разума не могут договориться о природе сознания, утверждение, что оно приводит к коллапсу волновых функций, будет преждевременным в лучшем случае и ошибочным — в худшем.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
В России своя квантовая теория = вот триллион - он есть, но его тут же нет. И НИКТО, как бы, не знает через какую щель он прошёл и куда-то интерферировался.
"...Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет..."
Вспомнился рассказ Лема.)
"...К концу жизни, а точнее на склоне лет, Иеремия пережил поразительную метаморфозу. Наглухо запершись в своем подвале, из которого он убрал все до единого обломки аппаратов, и оставшись наедине с пустыми стенами, деревянной лежанкой, табуретом и старым железным рельсом, он уже никогда не покидал это убежище, или, если угодно, добровольную темницу. Но было ли оно и впрямь заточением, а его поступок- бегством от мира, жестом отчаяния, вступлением на поприще затворника-анахорета? Факты противоречат такому предположению. Не смиренному созерцанию предавался он в своем добровольном узилище. Кроме куска хлеба и кружки воды через небольшое дверное окошко ему передавали предметы, которые он требовал, а требовал он все эти шестнадцать лет одного и того же: молотков различного веса и формы. В общей сложности он получил их 3219 штук; когда же великое сердце остановилось, по всему подвалу сотнями валялись заржавевшие, сплющенные титаническими усилиями молотки. День и ночь из-под земли доносился звучный стук, затихавший лишь ненадолго, когда добровольный узник подкреплял уставшую плоть или же, после короткого сна, делал записи в лабораторном журнале, который лежит теперь у меня на столе. Из этих записей видно, что духом он вовсе не изменился, напротив, стал тверже, чем когда бы то ни было, целиком посвятив себя новому замыслу. "Я ей покажу!", "Я ей задам жару!", "Еще чуть-чуть, и я ее порешу!" - такими, набросанными его характерным, неразборчивым почерком замечаниями пестрят эти толстые тетради, пересыпанные металлическими опилками. Кому собирался он задать жару? Кого порешить? Это пребудет тайной - противница, столь же загадочная, сколь и могущественная, не названа ни разу по имени. Видится мне, что в минуту озарения, которое нередко посещает великие души, он решил совершить на самом высоком, предельном уровне - то, что прежде пробовал сделать не столь дерзновенно. Раньше он доводил всевозможные устройства до крайности и сурово отчитывал их, дабы достичь своего. Теперь же, укрывшись в своей добровольной темнице от своры скудоумных хулителей, гордый старец через подвальную дверь вошел в историю, ибо - это моя гипотеза - схватился с самой могущественной на свете противницей: все эти шестнадцать каторжных лет его ни на минуту не оставляла мысль, что он штурмует средоточие бытия и неустанно, без колебаний, сомнений и жалости, бьет самое материю!"
" … аскет и кибермистик <…> Игорь Себастьян натуру имел созерцательную и лишь поэтому, а не вследствие недоразвитости, в которой его обвиняли клеветники, впервые заговорил лишь на одиннадцатом году жизни. Как и все великие мыслители-реформаторы, он заново окинул человека критическим взглядом и нашел, что источник всякого зла — животные атавизмы, пагубные для индивидов и общества. Мысль о враждебности тёмных инстинктов светоносному духу не была особенно нова, но Игорь Себастьян сделал решающий шаг, на который его предшественники не отважились. Человек, сказал он себе, должен воцариться духом там, где до сих пор безраздельно владычествовало тело! Будучи на редкость одарённым душехимиком, после многолетних экспериментов он создал в реторте препарат, позволивший мечту воплотить в реальность. Я говорю, разумеется, о знаменитом омерзине, пентозалидовой производной двуаллилоортопентанопергидрофенатрена. Микроскопическая доза омерзина, совершенно безвредная для здоровья, делает акт зачатия до крайности неприятным — в отличие от установившейся практики. Благодаря щепотке белого порошка человек начинает смотреть на мир глазами, не замутнёнными похотью; не ослепляемый поминутно животным влечением, он постигает истинную иерархию вещей. У него появляется масса свободного времени, да и сам он, сбросив оковы сексуального принуждения и отрешившись от уз половой неволи, которыми опутала его эволюция, наконец-то обретает свободу. Ведь продолжение рода должно быть результатом обдуманного решения, исполнением долга перед человечеством, а не побочным, нечаянным следствием потакания низменным страстям. Сперва Игорь Себастьян намеревался сделать акт телесного совокупления нейтральным, однако решил, что этого недостаточно: слишком многое делает человек даже не удовольствия ради, а просто со скуки или по привычке. Отныне указанный акт должен был стать жертвой, возлагаемой на алтарь общего блага, добровольным умерщвлением плоти; каждый плодящийся, ввиду выказанной им отваги и готовности пожертвовать собой ради ближнего, причислялся к героям. Как подобает истинному учёному, Игорь Себастьян сначала испробовал действие омерзина на себе, а чтобы доказать, что и при больших его дозах можно иметь потомство, с величайшим самоотречением наплодил тринадцать детей. <…> поклявшись навечно освободить человека от похоти, он зарядил омерзином все колодцы своего городка, после чего разъярённая толпа избила его и лишила жизни путём возмутительного самосуда. <…> Всякая великая идея, писал он, должна иметь за собой силу — тому есть тьма примеров в истории; лучше любых аргументов и доводов мировоззрение защищает полиция."
