Квантовая реальность: множественные смыслы жизни
Перевод статьи Михаэля Брукса из NewScientist
http://www.newscientist.com/article/mg20927960.200-quantum-reality-the-many-meanings-of-life.html?full=true
Квантовая теория - это научный шедевр, с которым учёные всё ещё не знают что делать
Похоже, что века не хватило. Ровно сто лет назад в Брюсселе, Бельгия, проводилась первая всемирная конференция физиков. Темой обсуждения было: что делать со страной новой теорией квантовой механики; и появится ли когда нибудь возможность соотнести эту теорию с опытом нашей повседневной жизни, оставив при этом связное описание картины мира.
Именно с этой задачей сражаются физики и сегодня. Квантовые частицы, такие как атомы и молекулы имеют нехитрую способность появлятся в двух местах одновременно, или вращаться по и против часовой стрелки одновременно, или моментально влиять друг на друга, находясь на расстоянии пол-вселенной друг от друга. Интерес в том, что мы сделаны из атомов и молекул, но мы не можем делать ничего из этого. Почему? "В какой точке прекращается действие квантовой механики?", спрашивает Харви Браун, занимающийся философией науки в Оксфорде.
И хотя решения проблемы всё ещё нет, сам процесс поиска оказался вознагражедением. Благодаря этому процессу, для примера, возникла новоая отрасль квантовой информации, которая быстро привлекла внимание хай-тека и правительственных шпионов. Мы получили форпост для атаки на оканчательную теорию физики, и даже возможно, сможем понять откуда появилась вселенная. Неплохо для занятия, которое квантовый циник Альберт Эйнштейн отверг как "мягкую подушку" усыпляющую хорошего физика.
К разочарованию Эйнштейна из квантовой физики вышел шедевр. Нет ни одного эксперимента, который бы опроверг предсказания теории квантов, и на малых масштабах она достоверно описывает функционирование вселенной. Что оставляет нас с единственной проблемой: как её понимать?
Физики пытаются ответить на этот вопрос с помощью "интерпретаций" - философских спекуляций, полностью согласованных с опытами, на тему того, какой смысл кроется за квантовой теорией. "Существует целый зоопарк интерпретаций", говорит Влатко Ведрал, занятый частично в Оксфорде, и частично в Центре квантовых технологий в Сингапуре.
Никакая другая теория в науке не имеет столко различных толкований. Почему так проиходит? И победит ли когда нибудь одно толкование все остальные?
Возьмём для примера то , что называют копенгагеновской интерпретацией, предложенной датским физиком Нильсом Бором. Согласно ей, любые попытки говорить о местоположении электрона в атоме без его измерения бессмысленны. Только в том случае, если мы взаимодействуем с электроном, пытаясь пронаблюдать его с помощью неквантового, "классического" прибора, электрон приобретает свойство, которое мы называем физическим параметром, и поэтому становится частью реальности.
Далее существует интерпретация множественных миров, где странности квантов объяснены тем, что всё что существует имеет много существований в мириадах параллельных вселенных. Или, возможно, вы предпочтете интерпретацию Де Бройля - Бома, где квантовая теория считается незаконченной: ей не хватает неких скрытых параметров, которые, будь они нам известны, открыли бы смысл теории.
Их на самом деле много, таких как интерпретация Гирарди - Римини - Вебера, трансакционная интерпретация ( в которой частицы движутся назад во времени), теория коллапса, вызванного силой тяжести Роджера Пенроуза, модальная интерпретация. За последние 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом.
Хотя из всего этого, большинство физиков поддерживают всего несколько теорий.
Чудесный Коппенгаген
Самой популярной из всех является, созданная Бором, Коппенгагеновская интерпретация. Своей популярностью она обязана, в основном тому факту, что в своем большинстве физики не хотят заморачиваться с философией. Вопросы, типа, что представляет собой процесс измерения в точности, или почему он вносит изменения в структуру рельности могут быть проигнорированы, а полезные выводы из квантовой теории сделаны.
Вследствие чего, послушное следовние коппенгагеновской интерпретации иногда называют "заткнись и веди расчеты" интерпретацией. "Исходя из того, что большинство физиков предпочитают делать расчеты и использовать полученные результаты, большинство из них в группе "заткнись и считай", говорит Ведрал.
Однако у данного подхода имеется несколько минусов. Во-первых он никогда не объяснит нам основ реальности. Для такого объяснения нужно желание искать слабые места в квантовой теории, а не следовать за её успехами. Если появится какая -нибудь новая теория, не думаю, что она появится из физики твердого тела, где работают большинство физиков", читает Ведрал.
Во-вторых, работая в добровольном заточении, вряд ли удастся создать новые направления квантовой механики. Разнообразие перспектив в квантовой механике может служить катализатором для новых идей. "Если вы решаете разнообразные задачи, полезно мыслить в рамкам различных интерпретации", заявляет Ведрал.
Нигде это не выразилось так явно, как в области квантовой информации. "Эта область вообще бы не существовала, если бы не беспокойство о философских основах квантовой физики", говорит Антон Зейлингер из Веннского университета, Австрия.
В основе данной области лежит эффект квантовой сцепленности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц распределена сразу между всеми этими частицами. Результатом является то , что Эйнштейн обозначил как "паранормальное взаимодействие на расстоянии": измерение физического параметра одной частицы мгновенно изменит параметры сцепленных с ней партнеров, неважно как далеко они друг от друга.
Когда феномен сцеплённости впервые обнаружили в уравнениях квантовой механики, она показалась настолько странной идеей, что ирландский физик Джон Белл придумал мысленный эксперимент, чтобы доказать, что сцеплённость не может быть частью реального мира. Когда смогли воспроизвести этот эксперимент на практике, выяснили, что Белл ошибался а также узнали много нового о тонкостях квантовых измерений. Кроме того этот опыт заложил основы создания квантовых компьютеров, которые с помощью одного измерения могут провести тысячи или даже миллионы вычислений, осуществляющихся параллельно квантовыми частицами, а также квантовой криптографии, в которой информация защищена самой природой квантового измерения.
Понятно, что обе эти технологии привлекли внимание правительств, заинтересованных в получении наилучших технологий и предотвращения их попадания в "неправильные руки".
Ученые-физики, однако, больше интересуются этим феноменом в связи с природой реальности. Эксперименты с квантовой информацией свидетельствуют о том, что информация, находящаяся в квантовых частицах лежит в самой основе реальности.
Адепты коппенгагеновской интерпретации, такие как Цайлингер, рассматривают квантовые системы как носителей информации, а измерения с использованием классических измерительных аппаратов не как нечто особенное, а лишь как способ регистрации изменений в информационном содержимом системы. "Измерения обновляют информацию", говорит Цайлингер. Фокусирование на информации как на основном компоненте реальности привело некоторых к представлению самой Вселенной как к огромному квантовому компьютеру.
Однако, несмотря на все видимые успехи коппенгагеноской интерпретации, есть немало физиков, обращающих внимание на её изнанку. В основном на то, что кажется искусственным разделением между микроскопической квантовой системой и классическими приборами и наблюдателтами, работающими с ними.
Ведрал, например, исследует связь квантовой механики и биологии: различные процессы и механизмы, действующие в клетке, являются квантовыми в основе, например, фотосинтез и системы определения радиации. "Мы открываем, что всё больсую часть мира можно описать с помощью квантовой механики - я не думаю, что существует четкая граница между квантовым и классическим", говорит он.
Рассмотрение природы вещей в масштабе вселенной также добавляет очки критикующим коппенгагеноскую интерпретацию. Если процесс наблюдения классическим наблюдателем является основополагающим для создания наблюдаемой нами реальности, то что исполнило роль наблюдателя, приведшего видимую вселенную к существованию? "По логике необходим наблюдатель, находящийся за пределами вселенной - не за пределами вселенной невозможно ничего, по определению", говорит Браун.
http://www.newscientist.com/article/mg20927960.200-quantum-reality-the-many-meanings-of-life.html?full=true
Квантовая теория - это научный шедевр, с которым учёные всё ещё не знают что делать
Похоже, что века не хватило. Ровно сто лет назад в Брюсселе, Бельгия, проводилась первая всемирная конференция физиков. Темой обсуждения было: что делать со страной новой теорией квантовой механики; и появится ли когда нибудь возможность соотнести эту теорию с опытом нашей повседневной жизни, оставив при этом связное описание картины мира.
Именно с этой задачей сражаются физики и сегодня. Квантовые частицы, такие как атомы и молекулы имеют нехитрую способность появлятся в двух местах одновременно, или вращаться по и против часовой стрелки одновременно, или моментально влиять друг на друга, находясь на расстоянии пол-вселенной друг от друга. Интерес в том, что мы сделаны из атомов и молекул, но мы не можем делать ничего из этого. Почему? "В какой точке прекращается действие квантовой механики?", спрашивает Харви Браун, занимающийся философией науки в Оксфорде.
И хотя решения проблемы всё ещё нет, сам процесс поиска оказался вознагражедением. Благодаря этому процессу, для примера, возникла новоая отрасль квантовой информации, которая быстро привлекла внимание хай-тека и правительственных шпионов. Мы получили форпост для атаки на оканчательную теорию физики, и даже возможно, сможем понять откуда появилась вселенная. Неплохо для занятия, которое квантовый циник Альберт Эйнштейн отверг как "мягкую подушку" усыпляющую хорошего физика.
К разочарованию Эйнштейна из квантовой физики вышел шедевр. Нет ни одного эксперимента, который бы опроверг предсказания теории квантов, и на малых масштабах она достоверно описывает функционирование вселенной. Что оставляет нас с единственной проблемой: как её понимать?
Физики пытаются ответить на этот вопрос с помощью "интерпретаций" - философских спекуляций, полностью согласованных с опытами, на тему того, какой смысл кроется за квантовой теорией. "Существует целый зоопарк интерпретаций", говорит Влатко Ведрал, занятый частично в Оксфорде, и частично в Центре квантовых технологий в Сингапуре.
Никакая другая теория в науке не имеет столко различных толкований. Почему так проиходит? И победит ли когда нибудь одно толкование все остальные?
Возьмём для примера то , что называют копенгагеновской интерпретацией, предложенной датским физиком Нильсом Бором. Согласно ей, любые попытки говорить о местоположении электрона в атоме без его измерения бессмысленны. Только в том случае, если мы взаимодействуем с электроном, пытаясь пронаблюдать его с помощью неквантового, "классического" прибора, электрон приобретает свойство, которое мы называем физическим параметром, и поэтому становится частью реальности.
Далее существует интерпретация множественных миров, где странности квантов объяснены тем, что всё что существует имеет много существований в мириадах параллельных вселенных. Или, возможно, вы предпочтете интерпретацию Де Бройля - Бома, где квантовая теория считается незаконченной: ей не хватает неких скрытых параметров, которые, будь они нам известны, открыли бы смысл теории.
Их на самом деле много, таких как интерпретация Гирарди - Римини - Вебера, трансакционная интерпретация ( в которой частицы движутся назад во времени), теория коллапса, вызванного силой тяжести Роджера Пенроуза, модальная интерпретация. За последние 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом.
Хотя из всего этого, большинство физиков поддерживают всего несколько теорий.
Чудесный Коппенгаген
Самой популярной из всех является, созданная Бором, Коппенгагеновская интерпретация. Своей популярностью она обязана, в основном тому факту, что в своем большинстве физики не хотят заморачиваться с философией. Вопросы, типа, что представляет собой процесс измерения в точности, или почему он вносит изменения в структуру рельности могут быть проигнорированы, а полезные выводы из квантовой теории сделаны.
Вследствие чего, послушное следовние коппенгагеновской интерпретации иногда называют "заткнись и веди расчеты" интерпретацией. "Исходя из того, что большинство физиков предпочитают делать расчеты и использовать полученные результаты, большинство из них в группе "заткнись и считай", говорит Ведрал.
Однако у данного подхода имеется несколько минусов. Во-первых он никогда не объяснит нам основ реальности. Для такого объяснения нужно желание искать слабые места в квантовой теории, а не следовать за её успехами. Если появится какая -нибудь новая теория, не думаю, что она появится из физики твердого тела, где работают большинство физиков", читает Ведрал.
Во-вторых, работая в добровольном заточении, вряд ли удастся создать новые направления квантовой механики. Разнообразие перспектив в квантовой механике может служить катализатором для новых идей. "Если вы решаете разнообразные задачи, полезно мыслить в рамкам различных интерпретации", заявляет Ведрал.
Нигде это не выразилось так явно, как в области квантовой информации. "Эта область вообще бы не существовала, если бы не беспокойство о философских основах квантовой физики", говорит Антон Зейлингер из Веннского университета, Австрия.
В основе данной области лежит эффект квантовой сцепленности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц распределена сразу между всеми этими частицами. Результатом является то , что Эйнштейн обозначил как "паранормальное взаимодействие на расстоянии": измерение физического параметра одной частицы мгновенно изменит параметры сцепленных с ней партнеров, неважно как далеко они друг от друга.
Когда феномен сцеплённости впервые обнаружили в уравнениях квантовой механики, она показалась настолько странной идеей, что ирландский физик Джон Белл придумал мысленный эксперимент, чтобы доказать, что сцеплённость не может быть частью реального мира. Когда смогли воспроизвести этот эксперимент на практике, выяснили, что Белл ошибался а также узнали много нового о тонкостях квантовых измерений. Кроме того этот опыт заложил основы создания квантовых компьютеров, которые с помощью одного измерения могут провести тысячи или даже миллионы вычислений, осуществляющихся параллельно квантовыми частицами, а также квантовой криптографии, в которой информация защищена самой природой квантового измерения.
Понятно, что обе эти технологии привлекли внимание правительств, заинтересованных в получении наилучших технологий и предотвращения их попадания в "неправильные руки".
Ученые-физики, однако, больше интересуются этим феноменом в связи с природой реальности. Эксперименты с квантовой информацией свидетельствуют о том, что информация, находящаяся в квантовых частицах лежит в самой основе реальности.
Адепты коппенгагеновской интерпретации, такие как Цайлингер, рассматривают квантовые системы как носителей информации, а измерения с использованием классических измерительных аппаратов не как нечто особенное, а лишь как способ регистрации изменений в информационном содержимом системы. "Измерения обновляют информацию", говорит Цайлингер. Фокусирование на информации как на основном компоненте реальности привело некоторых к представлению самой Вселенной как к огромному квантовому компьютеру.
Однако, несмотря на все видимые успехи коппенгагеноской интерпретации, есть немало физиков, обращающих внимание на её изнанку. В основном на то, что кажется искусственным разделением между микроскопической квантовой системой и классическими приборами и наблюдателтами, работающими с ними.
Ведрал, например, исследует связь квантовой механики и биологии: различные процессы и механизмы, действующие в клетке, являются квантовыми в основе, например, фотосинтез и системы определения радиации. "Мы открываем, что всё больсую часть мира можно описать с помощью квантовой механики - я не думаю, что существует четкая граница между квантовым и классическим", говорит он.
Рассмотрение природы вещей в масштабе вселенной также добавляет очки критикующим коппенгагеноскую интерпретацию. Если процесс наблюдения классическим наблюдателем является основополагающим для создания наблюдаемой нами реальности, то что исполнило роль наблюдателя, приведшего видимую вселенную к существованию? "По логике необходим наблюдатель, находящийся за пределами вселенной - не за пределами вселенной невозможно ничего, по определению", говорит Браун.