Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул
- -
- 100%
- +
Таким образом, можно привести простую и понятную причину (или следствие?), которая могла бы объяснить происходящее: как только возможность получить информацию о пути фотона стиралась из пространства эксперимента, интерференция появлялась.
Как только путь фотона становился измеряем – она мгновенно исчезала.
Исходя из того, что подобную логику можно применить практически ко всем аналогичным физическим экспериментам с фотонами, целый ряд ученых делает вывод о том, что единственной логически значимой причиной изменения свойств фотона является наличие информации о его движении.
Значит ли это, что квантовую систему меняет наличие о ней информации? Если это так, то можно ли сказать, что именно информация лежит в основе реальности? Или все-таки это свойство реальности, которым пользуется одна ее часть для того, чтобы в данном случае упорядочить другую?.. А может быть, информация – это просто следствие каких-то неизвестных для нас физических процессов?..
Мы оставим глобальные рассуждения об этом для заключительного раздела и выводов, а пока подумаем еще раз над возможной интерпретацией полученных результатов. Давайте еще раз перечислим все возможные, пусть самые невероятные, но логически непротиворечивые варианты, которые могут объяснить результаты третьего эксперимента.
1. Фотон знает свое будущее и подстраивается под него с самого начала эксперимента (или даже управляет своим будущим). Он делает это сам или с помощью каких-то «невероятных помощников». В этом случае он спокойно выходит из источника, являясь волной, потому что знает, что отразится от СД4 и что далее исследователь поставит СД5 (или же делает так, чтобы исследователь это сделал).
Фактически в этом варианте мы возвращаемся к теории «супердетерминизма», которую мы уже упомянули в разделе, посвященном двухщелевому эксперименту. Это логически непротиворечивая теория, которую, впрочем, нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Мы рассмотрим ее чуть позже.
2. Фотон может очень быстро «прыгать» то в один оптический канал, то в оба сразу – в зависимости от текущей конфигурации того или иного эксперимента. При этом очевидно, что смена формы и пространственного положения частицы должна быть управляемым процессом, зависящим, как мы видим, от текущей конфигурации проводимого опыта. Так, если мы уберем зеркало СД5, то регистрация холостого фотона датчиком Д6 точно скажет о том, что основной (сигнальный) фотон пройдет (или уже прошел?) по пути А. Если же мы введем в эксперимент зеркало СД5, то сразу «поместим» сигнальный фотон в оба канала А и В. Таким образом, в зависимости от конфигурации и хода данного эксперимента фотон должен постоянно «прыгать» из канала в канал, находясь то «здесь», то «там», то «и здесь, и там». Как он может это делать (особенно если поместить его внутрь светодиодов с непрозрачными стенками9) – совершенно непонятно.
Как мы понимаем, данный вариант предполагает наличие некоторой неизвестной нам силы, которая бы в зависимости от текущей конфигурации эксперимента перемещала бы фотон из одного канала в другой.
3. Мы можем усилить предыдущий вариант, предположив, что фотон перемещается не из одного канала в канал, а вне пространства и времени (в иной «модус бытия») или же в другое пространство и время. В этом случае, когда его, например, «не трогают», он может «прыгнуть» в это «новое пространство» и появиться оттуда только в момент своего измерения (см.10 и ссылки в данной работе, и также см.11).
Заметим в скобках, что, согласно Эйнштейну, при скоростях, равных скорости света, время останавливается. Это значит, что время полета фотона, который летел к нам от далекой звезды 4 млрд световых лет, с точки зрения этого фотона, равняется… нулю. В его системе отсчета его полет будет выглядеть совершенно по-другому: он родился – и, «не поняв ничего», мгновенно исчез… И в этом смысле у фотона действительно нет ни прошлого, ни будущего. Так что подход, который помещает фотоны (как и все иные элементарные частицы) вне времени и пространства, в какое-то особое, неизвестное нам состояние материи, несомненно, несет в себе явное рациональное зерно.
Необходимо сказать, что второй и третий вариант в некотором смысле довольно близки. Действительно, и там и там для физического предъявления фотона в той или иной точке пространства необходима какая-то сила/посредник. Например, в третьем варианте фотон помещается вне времени и пространства и далее в зависимости от того, что происходит в поле эксперимента, опять предъявляется в нем в том или ином виде. Но кто или что это с ним делает, спросите вы? Ответов два: либо это свойство самой материи, либо это делает какое-то неизвестное науке поле или сила, которые опять-таки являются одним из свойств окружающего нас мира.
4. Вероятно, существуют и еще более экзотические варианты реальности, который бы могли объяснить поведение фотонов в данном эксперименте, такие как «мы все находимся в матрице» и т. д.
Конечно же, все четыре альтернативы, которые мы привели, кажутся крайне необычными, если не сказать больше. Все это еще раз ярко показывает степень нашего текущего непонимания квантовой реальности, которая носит абсолютно парадоксальный характер.
Я также попросил бы уважаемых читателей обратить свое внимание на то, что все варианты поведения фотона в данном эксперименте требуют введения в реальность информационно-логического «куратора» фотона! Такой «куратор» (давайте назовем его центром управления фотоном, ЦУФ) должен каким-то образом влиять на фотон во всех случаях!
В самом деле, в первом варианте такой «куратор» должен давать ему точные знания о его будущем (в т. ч. с учетом того, что сделает исследователь или какое-то устройство, включенное в цепь эксперимента).
Во втором варианте ЦУФ появляется просто явно, он не только дает указания о том, какие свойства должен показывать фотон, но и перемещает его в необходимую (ые) точку (и) пространства, которая (ые) позволит (ят) ему проявить свои волновые или корпускулярные свойства.
Третий вариант отличается от второго тем, что ЦУФ время от времени должен помещать фотон вне пространства и времени (в таинственный модус «нечто») или в другое пространство и время.
В четвертом варианте ЦУФ вообще становится главным, поскольку в «матрице» ЦУФом становится сама «матрица» – огромная «симуляция всего»…
Как может выглядеть такой ЦУФ?
В некоторых из перечисленных вариантов логически функционал такого ЦУФ можно было бы поместить в сам фотон, который в этом случае должен получить возможность не только мгновенного сбора и обмена информацией между всем веществом эксперимента, но и, например, «бесследного перемещения» самого фотона «куда-то» и такого же его «появления из ниоткуда».
Однако напрашивается более логичное предположение, при котором функции подобного, почти невероятного, управления фотоном берет на себя какое-то поле, среда или сама природа материи. Если это так, то данное поле/среда/материя должна связывать/координировать все (возможно – огромное) количество вещества пространства эксперимента, мгновенно «снимая» с него данные и безошибочно передавая в другие точки этого же пространства управляющие сигналы (внимание – полупрозрачное зеркало на месте, фотон – появись в обоих каналах! (покажи одни свойства); внимание – зеркало убрали, фотон – останься только в одном канале! (покажи другие свойства) и т. д.).
Рассуждения о том, как может выглядеть подобная реальность, мы продолжим чуть позже, в заключительной части и выводах. Для того чтобы делать выводы сейчас, нам еще не хватает фактов. Пока же, суммируя результаты эксперимента с отложенным выбором, давайте еще раз отметим, что картина микромира фотона в данном эксперименте с обыденной точки зрения является совершенно непонятной, если не сказать невероятной – так же, как и во многих других экспериментах.
И это не может не воодушевлять любого исследователя, не так ли?
Следующий парадокс квантовой физики, о котором мне хотелось бы коротко рассказать, называется парадоксом Зенона.
1.5. Странность «первого» рода №5. Квантовый парадокс Зенона
Известный греческий философ Зенон Элейский когда-то предположил, что если время разделить на множество отдельных частей, то все движение в мире может остановиться. На эту тему существует два известных примера: первый – про черепаху и спринтера, и второй – про стрелу. По своей сути они несколько похожи, суть апории Зенона про стрелу выглядит так: представьте, что мы возьмем летящую стрелу и рассмотрим ее полет в каждое мгновение времени. Очевидно, что в каждое мгновение она будет стоять на месте. Но тогда, если в каждое мгновение времени стрела стоит на месте, то, может быть, она вовсе и не движется?
Смысл апории про черепаху и спринтера следующий: представьте, что спринтеру надо догнать черепаху. Допустим, между ними 100 метров. Давайте разделим путь спринтера на два, т. е. представим, что вначале ему надо пробежать половину расстояния – 50 метров. Далее он должен пробежать половину от оставшейся половины, т. е. 25 метров. Далее еще одну половину – 12,5 метров и т. д. Но ведь этим половинам никогда не будет конца! Это значит, что он никогда не догонит черепаху!
Понятно, что стрела все-таки летит (и это подтвердит любой проведенный эксперимент), а любой спринтер легко догонит черепаху. Тем не менее парадоксы Зенона, несомненно, полезны, поскольку заставляют нас еще раз подумать о природе дискретного и непрерывного, конечного и бесконечного, аналогий математической и физической реальности.
Здесь необходимо сказать, что, в отличие от неработающих апорий Зенона, названный в его честь квантовый парадокс Зенона – работает! Подтвержденный экспериментально, он выглядит следующим образом: если начать наблюдать за квантовыми частицами, находящимися в процессе радиоактивного распада, то их распад… приостановится. В идеале, если сделать наблюдение непрерывным, такой распад станет… просто невозможным.
Почему замедляется распад во время наблюдения за квантовыми частицами?
Базовая причина этой странности является такой же, как и в других экспериментах, раскрывающих странности микромира, – повторяющееся (в идеале – непрерывное) измерение квантовой системы препятствует ее переходу в другое состояние (подробнее – см.12).
Продолжая ряд примеров с парадоксами микромира, можно также назвать парадокс нелинейного светоделителя13 и некоторые другие странности, список которых можно было бы продолжить, если бы все они в той или иной степени всякий раз не возвращали бы нас к главным парадоксам микромира: корпускулярно-волновому дуализму, запутанности, нелокальности, отложенному выбору, а также таинственному «нежеланию» элементарных частиц предъявить миру информацию о своей траектории и состоянии, т. е. к тем парадоксам, которые мы уже перечислили выше.
На этом я предлагаю завершить краткий курс изучения странностей микромира (или странностей первого рода), подведя под ним черту.
Глава 2. Странности самой теории квантовой физики, или Странности «второго» рода
Напомню – странностями «второго» рода мы назвали «странности» самой квантовой теории, которая, объясняя парадоксы микромира, выявленные в ходе экспериментов, сделала это не менее парадоксальным образом. Для того чтобы нам еще лучше стала ясна разница между реальностью и математикой, я даже предлагаю назвать их странностями математического аппарата КМ.
Итак, чем квантовая физика, описывающая поведение микротел, отличается от «нормальной», классической физики, описывающей поведение макротел, которую все мы учили в школе?
Если классическая физика говорит, что ядро, выпущенное из пушки, направленной на север, всегда летит на север (при этом оно будет лететь туда всегда – и на бумаге, и в результате любого поставленного эксперимента), то квантовая физика, которая вместо ядра оперирует с элементарной частицей, говорит о том, что эта частица теоретически, с определенной вероятностью, может полететь в разные стороны и, соответственно, оказаться в самых разнообразных точках пространства – как на севере, так и на западе и востоке, а может быть, даже и на юге.
Или с такой же определенной вероятностью получить какие-то определенные свойства.
Сотни лет теоретическая физика говорила нам о том, что мы, если захотим, можем вычислить траекторию любого тела точно – при условии, что мы точно знаем его начальное положение и действующие на него силы.
В КМ оказывается, что это не так. В ней поведение каждой ЭЧ описывается так называемой волной вероятности (ВВ) – величиной, определяющей плотность вероятности обнаружения этой ЭЧ в заданной точке пространства и ее свойства.
Это немного необычно, но не так уж чтобы очень, скажете вы. Ведь и в классической физике множество процессов используют вероятность как рабочий инструмент! Все мы учили в школе про броуновское движение и случайные процессы, а кое-кто даже помнит про то, что такое дисперсия и математическое ожидание.
Отличие КМ от обычной физики заключается в том, что в первой нет даже теоретической возможности точно посчитать все параметры, связанные с элементарной частицей.
Таким образом, математический аппарат КМ оперирует только вероятностными величинами.
Еще раз, КМ говорит, что дело не в том, что частицы очень маленькие, из-за чего нам просто сложно установить их начальные координаты и действующие на них силы, и именно поэтому мы не сможем рассчитать их конечное положение. Все гораздо хуже. КМ устанавливает теоретическую невозможность точного расчета траектории или конечного положения элементарной частицы. Одним из главных оснований для подобного подхода является соотношение неопределенностей Гейзенберга, являющееся одним из центральных положений КМ. Это соотношение говорит о том, что элементарная частица не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и ее импульс могут одновременно принять точные значения. Математически это выглядит так: неопределенность координаты элементарной частицы, умноженная на неопределенность проекции ее импульса по соответствующей координате, должна быть больше или равна определенному числу – квантовой постоянной Планка.
Таким образом, соотношение Гейзенберга устанавливает теоретический предел точности для квантовых измерений. Если перевести это на русский язык, то получается, что опять-таки в соответствии с принципами КМ мы даже теоретически не можем знать полную информацию о частице. Если мы узнаем точную-преточную скорость частицы – то мы фактически вообще ничего не будем знать о ее местоположении. Если же мы вдруг узнаем ее точное местоположение, то мы вообще ничего не сможем сказать о ее скорости…
Иными словами, КМ постулирует, что в природе существует точно вычислимый предел нашего знания о микромире.
Является ли этот предел естественным (т. е. мы действительно ни при каких обстоятельствах не сможем узнать о частице больше) или же этот предел является «искусственной», математической преградой, существующей только потому, что единственной теорией, описывающей человечеству частицы, является КМ? Опять-таки это покажет только время…
В итоге повторим еще раз – первой странностью «второго рода», т. е. странностью квантовой механики, является вероятностная (в фундаментальном смысле!) природа ее математического аппарата. В соответствии с формулами КМ у каждой из элементарных частиц нет конкретного местоположения, скорости, траектории или других характеристик – вместо этого существуют лишь волны их вероятности.
Волна вероятности фактически говорит нам о том, что с точки зрения квантовой теории у любой элементарной частицы между измерениями просто нет определенных характеристик.
Но тогда как и где она существует?
Для того чтобы ответить на этот довольно простой вопрос, основатели КМ предложили считать, что частица находится в суперпозиции всех своих возможных состояний. Что это значит? Если в результате расчета получается, что фотон может с вероятностью 30% находиться в правом канале, с вероятностью 30% – в левом, а с вероятностью 40% – в обоих каналах, то они предложили считать, что фотон существует во всех этих местах сразу, что он, таким образом, «размазан в пространстве».
Уважаемые читатели, обратите свое внимание еще раз на то, что в соответствии с принципом суперпозиции микрочастицы не имеют никаких определенных характеристик между измерениями, т. е. обладают ими всеми «сразу». Оппонентами такого подхода являются ученые, которые говорят, что волновая функция и сопровождающая ее суперпозиция являются всего-навсего математическим приемом для вычислений, не имеющим никакого отношения к реальности. Мы обязательно поговорим об этом подробнее в третьей части, когда будем рассматривать интерпретации КМ.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Примечания
1
Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом «Либроком», 2011. – С. 125.
2
Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом «Либроком», 2011. – С. 127.
3
Qi-Chao Sun, Yang-Fan Jiang, etc. Entanglement swapping over 100 km optical fiber with independent entangled photon-pair sources. Optica. Vol. 4, Issue 10, 2017, pp. 1214—1218 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001214)
4
Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом «Либроком», 2011. – С. 133.
5
Данный феномен приводит к многочисленным попыткам придумать эксперимент, который мог бы передать информацию быстрее скорости света. См., например: А. В. Белинский, А. К. Жуковский. «Слабые» измерения и сверхсветовая коммуникация. // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика и астрономия. – 2016. – №5. – С. 21.
6
Приведу одну из работ, соавтором которой я имею честь быть: Belinsky, A. V., Zhukovskiy, A. K. On Nonlocality of Quantum Objects. J Russ Laser Res 37, 521—532 (2016). https://doi.org/10.1007/s10946-016-9604-6
7
John Archibald Wheeler. The «Past’ and the «Delayed-Choice Double-Slit Experiment’ // Mathematical Foundations of Quantum Theory. – Academic Press, 1978. – Р. 9—48.
8
См. достаточно полное описание экспериментов по отложенному выбору в статье «Мысленные эксперименты с отложенным выбором и их реализации» К. Ма, Й. Кэри и А. Цайлингер (Австрия, Германия). Перевод статьи, выполненный М. Шульманом, на момент публикации этой книги был доступен по адресу: http://www.timeorigin21.narod.ru/rus_translation/1407_2930_Zeilinger.pdf.
9
А. В. Белинский, А. К. Жуковский. Вектор состояния квантовой системы: математическая абстракция или физическая реальность? // Вестник МГУ. Физика и астрономия. – 2016. – №3.
10
См. Белинский А. В. Квантовая нелокальность и отсутствие априорных значений измеряемых величин в экспериментах с фотонами // Успехи физических наук. – 2003. – Т. 173. – №8. – С. 905—909 и приведенные там работы.
11
Ю. С. Владимиров. Реляционная картина мира. Кн. 2. От бинарной предгеометрии микромира к геометрии и физике микромира – М. Ленанд, 2021. 304 С.
12
Белинский А. В. Квантовые измерения. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – С. 182.
13
Парадокс нелинейного светоделителя и его разрешение / А. В. Белинский, Д. В. Волков, А. В. Дмитриев, М. Х. Шульман // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2013. – Т. 144. – №5 (11). – С. 891—905.