Главная » Hi-Tech » Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?

Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?

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. Демонстрация, которая перевернула идеи великого Исаака Ньютона о природе света, была невероятно простой. 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. И Янг не был восторженным юнцом.

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. 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. Но действительно ли простой эксперимент может продемонстрировать подобное? Некоторые даже использовали его для утверждений, что на квантовый мир влияет человеческое сознание.

Может ли сознание определять реальность?

По одну сторону барьера находится экран, записывающий прибытие частиц (скажем, фотографическая пластинка в случае с фотонами). В современной квантовой форме эксперимент Янга включает стрельбу отдельными частицами света или материи через две щели или отверстия, вырезанных в непрозрачном барьере. Здравый смысл заставляет нас ожидать, что фотоны будут проходить или через одну, или через другую щель и накапливаться за соответствующим проходом.

 Фотоны попадают в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и темноты. Но нет. 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). Эти так называемые интерференционные полосы напоминают картину встречи двух волн.

Похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Но ведь через устройство проходит только один фотон за раз. Это противоречит здравому (классическому) смыслу.

Волновая функция ведет себя как волна. 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). Совмещенная волновая функция позволяет рассчитать вероятность того, где может находиться фотон. Она попадает по двум щелям, и новые волны выходят по другую стороны щелей, распространяются и интерферируют между собой.

Измерения — в данном случае это взаимодействие волновой функции с фотографической пластинкой — приводит к «коллапсу» волновой функции, к ее схлопыванию. Фотон обладает высокой вероятность оказаться там, где две волновые функции конструктивно интерферируют, и низкой — там, где интерференция деструктивная. В итоге она указывает на одно из мест, в котором фотон материализуется после измерения.

До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике. Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору.

«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. Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается. 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».

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. Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением». 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.

В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики. Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. Вот и все. 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.

Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность — это и волна, и частица. Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции. Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно,  у каждого фотона есть траектория.

За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений. 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. 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.

Наблюдатели просто фиксируют результат. 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. 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 Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель. Поиск порога продолжается. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию.

И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. 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. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.

По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. 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. Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей.

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. 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.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. А какого мнения придерживаетесь вы?


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Обнаружена новая связь кишечника с мозгом. И снова виновата соль

Но за последнее десятилетие исследования, проводимые среди населения, показали, что между потреблением соли и инсультом существует связь вне зависимости от повышенного кровяного давления и риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Хорошо известно, что диета с высоким содержанием соли приводит к повышенному кровяному ...

Из клеток кожи сделали клетки иммунитета. И это поможет в лечении рака

Если попытаться объяснить без сложных научных терминов, то в ходе этого процесса из клеток одного вида можно получить другие, что может быть полезно в целом ряде случаев. Ученые уже давно нашли способ «перепрограммировать» клетки. И этот процесс вполне может стать ...