Как наблюдать за "котом Шрёдингера"
Есть у меня безумная идея как подглядывать за "котом Шрёдингера". Помимо того, что это очень интересно, если получится, это может сильно изменить мир. Вы, конечно, знаете, что такое "кот Шрёдингера"... Но на всякий случай объясню.
В квантовой механике ничто не может находиться в конкретном месте и конкретном состоянии. В обычной жизни вы точно знаете, что вот этот стул находится у вас в комнате. А в квантовой механике он с какой-то вероятностью находится здесь, а с какой-то - на Марсе, только первая вероятность во много раз больше. В обычной жизни вы твердо знаете, что кот жив, а в квантовой механике он с какой-то вероятностью жив, а с какой-то - умер.
Плотность вероятности нахождения частицы в какой-то точке равна квадрату волновой функции. Что такое волновая функция и почему нельзя вместо волновой функции использовать сразу плотность вероятности? Если вы изучали физику хотя бы в объеме третьего курса, то вы должны это знать, а если не изучали, то объяснять слишком долго. У тяжелых частиц волновая функция имеет вид острого пика, у легких - пологого горба. Поэтому имея дело со стульями, котами и прочими очень тяжелыми с точки зрения квантовой механики объектами мы не замечаем неопределенности их состояния. А у легких частиц, вроде электрона, волновая функция сильно размазана, обычно мы не можем сказать справа от ядра атома находится электрон, слева или сверху, а часто даже неизвестно около какого ядра атома он находится, но кого это волнует, если этих электронов все равно никто не видел?
Еще в квантовой механике есть такое понятие как "измерение". Оно несколько шире, чем просто измерение какой-то величины с помощью научного прибора. Это любое получение информации о состоянии объекта. Когда мы проводим измерение, мы как бы вырезаем из волновой функции кусок, размеры которого определяются точностью нашего прибора, и измеряемый объект на мгновение обретает точные координаты. Потом его волновая функция снова расползается, но отрезанная часть исчезает для нас.
И вот в 1935 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал такой парадокс: помещаем в закрытый ящик кота. В том же ящике находится устройство, которое случайным образом выпускает в воздух яд. И вот если это устройство сработает во время нахождения кота в ящике, то он окажется в неопределенном состоянии - ни жив, ни мертв. Его волновая функция приобретет двугорбый вид, один горб соответствует состоянию "жив", другой - состоянию "мертв". И он останется в таком состоянии до тех пор, пока мы не откроем ящик. Это и будет "измерение". Половина волновой функции (какая именно - мы не знаем) окажется отброшена, и кот станет для нас практически точно живым или практически точно мертвым.
Обычно считают, что этот парадокс имеет скорее философский смысл, чем практический. Ведь неопределенное состояние существует только до тех пор, пока мы о нем не знаем. А когда узнаем, перестает быть неопределенным.
Но ведь интересно было бы посмотреть, как все это происходит? Убивать кота не обязательно, можно, например, поставить перед ним две автоматически открывающиеся кормушки - справа и слева, или еще что-нибудь придумать. И сделать какую-нибудь волшебную видеокамеру, показывающую как в разных ветвях реальности он совершает разные движения.
Как это ни фантастично, но, похоже, я придумал как это сделать.
Схлопывание волновой функции (оно же измерение) происходит, когда нас достигает какая-нибудь волна или частица, исходящая от измеряемого объекта. Но если мы будем передавать информацию так, чтобы никак нельзя было определить от какого из вариантов она пришла, то схлопывания волновой функции не произойдет и состояние останется неопределенным.
Теперь надо вспомнить немного другой раздел физики - волновую оптику.
Как известно, свет - это электромагнитные волны. Синусоидальные колебания электрического и магнитного поля. Если совместить две световых волны, в которых поле колеблется в противоположных направлениях (физики говорят: фаза смещена на половину периода), то они взаимно уничтожатся, света в этом месте не будет. На этом основано явление интерференции - пропускаем свет через два отверстия, а потом смотрим как он освещает лежащую за этими отверстиями плоскость. Вопреки ожиданиям, освещенность от двух отверстий не суммируется, а образует сложную интерференционную картину - где-то суммируется, а где-то вычитается, потому что фазы где-то совпадают, а где-то оказываются противоположными.
Есть такое устройство - фазовый преобразователь. Довольно обычная штука, даже продается в общедоступных интернет-магазинах, можете сами нагуглить. Он не задерживает свет, а только сдвигает его фазу.
Значит, делаем так: помещаем в ящик кота и кормушку, приводимую в действие квантовым генератором случайных чисел. Непременно квантовым, обычный генератор, встречающийся в некоторых программах, генерирует не настоящие, а псевдослучайные числа. Ничего страшного, квантовый генератор случайных чисел - тоже в наше время штука довольно обычная и тоже есть в открытой продаже. Ставим видеокамеру, чтобы наблюдать за котом. Но вывод видеокамеры соединяем не с обычным вайфаем или блютусом, а с особым хитрым каналом, который я, вот недавно, придумал.
В ящике делаем два маленьких отверстия. Через одно луч входит, через другое - выходит. В качестве источника света подойдет, например, лазерная указка. Источник и датчик света находятся снаружи ящика. А внутри ящика свет проходит через фазовый преобразователь, на который передаются особым способом закодированные данные с камеры. Вот схематическая картинка:
Если кот у нас обычный, а не шрёдингеровский, то никакой информации с камеры мы не получим. Ведь фазовый преобразователь не перекрывает и не усиливает луч, только сдвигает фазу, а на сдвиг фазы датчик не реагирует. Но если в одной из параллельных ветвей реальности фаза будет сдвинута на четверть волны вперед, а в другой - на четверть волны назад, то две световых волны в сумме дадут ноль. При этом кодировщик, управляющий фазовым преобразователем, "знает" в какой ветви он находится, ведь ему доступен результат срабатывания генератора случайных чисел. Поэтому можно придумать специальный код, передающий любую информацию через смещения фаз.
Важно, что мы не получаем никаких сигналов от какого-то одного из состояний. Осмысленная информация получается только из их интерференции. Поэтому схлопывания волновой функции не должно происходить.
В чем тут может быть подвох? Вообще-то, волны, исходящие от разных ветвей реальности, не идентичны. Они противоположны по фазе, то есть векторы электрического и магнитного поля в них направлены в противоположные стороны. И хотя фотоэлемент в целом не может регистрировать смещение фазы, но какие-то частицы внутри него - электроны, ядра атомов, будут под действием волн с разной фазой смещаться по-разному. Но я думаю, что это не должно помешать. Есть же всякие эксперименты с квантовой интерференцией, вроде эффекта Хонга - У - Мандела, там фотоэлементы регистрируют интерференцию.
В принципе, мой эксперимент можно было поставить еще во времена Шрёдингера. Лазеров тогда еще не было, но лазер здесь и не обязателен, достаточно монохромности. Фазовые преобразователи, наверное, были, а если даже не было, то их наверняка можно было изготовить при тогдашнем уровне техники.
Разумеется, в ящик можно помещать не только кота. Можно - компьютер. И тогда на одном компьютере можно будет выполнять множество параллельных вычислений, а через канал, состоящий из источника - фазового преобразователя - датчика, собирать результаты. Это похоже на квантовый компьютер, но более универсально и проще.
Можно поместить человека или несколько человек и устроить реалити-шоу с разными вариантами развития событий.
Интересно, можно ли передавать информацию извне внутрь ящика? В том числе информацию о разных вариантах развития событий внутри ящика? Это можно делать через обычный оптический канал, но не произойдет ли схлопывание волновой функции, как только информация об альтернативных событиях достигнет людей или устройств внутри ящика? Если да, то находящийся внутри ящика человек сможет поговорить сам с собой - со своим двойником из параллельной реальности.
Более того, ящик можно инвертировать, вывернуть наизнанку. Если источник и приемник света находятся внутри ящика, а фазовый преобразователь - снаружи, то получится настоящее устройство для связи между параллельными вселенными.
Я долго думал над тем, что будет при попытке передать информацию внутрь ящика. И пришел к выводу, что это получится для тех, кто находится снаружи, и не будет заметно тем, кто находится внутри.
Вот есть другой известный парадокс - "квантовое самоубийство". Предположим, кто-то выстрелит в себя из пистолета, который стреляет с вероятностью 50%. Тогда с вероятностью 50% он останется жив, и с такой же вероятностью умрет. Но сам он не сможет наблюдать собственную смерть, он всегда будет попадать в ту ветвь реальности, где жив. Ну, тут, конечно, можно сказать, что пистолет убивает не совсем мгновенно, умирающий успеет почувствовать удар, боль, угасание сознания. Но это все частности, будем считать, что используется такая штука, которая убивает незаметно. Например, человека усыпляют, а потом либо будят, либо добивают. Так вот, с точки зрения окружающих "квантовый самоубийца" после какой-то попытки наверняка умрет. Но со своей точки зрения он будет применять процедуру "квантового самоубийства" сколько угодно, и все равно останется жив.
К чему я все это рассказываю? К тому, что с моим "межмировым коммуникатором" будет то же самое - такое же расхождение событий с точки зрения разных наблюдателей. Люди, находящиеся снаружи ящика, смогут наблюдать, как человек входит в ящик, общается сам с собой и выходит. Но с точки зрения человека внутри ящика все будет выглядеть иначе. Он информацию о своем "втором я" не сможет получить даже в записи. Выйдя из ящика, он каждый раз будет узнавать, что эксперимент закончился неудачей, никаких данных из ящика не поступало.
Как я к этому пришел - могу объяснить, но это довольно долго и требует базовых знаний в квантовой механике. И я сам в этом не уверен, это только догадка.
Какой-то шанс попасть в ветвь реальности, где человек внутри ящика разговаривает со своим двойником, у него есть, но очень маленький, и я пока не могу определить - какой. Возможно, это что-то порядка планковских масштабов, то есть 23 нуля после запятой, но это я так, наугад ляпнул. На самом деле не знаю.
Соответственно, инвертированный ящик, к сожалению, почти никакого смысла иметь не будет. Разве что в формате, который я называю "ковчег". Один или несколько человек заходят в инвертированный ящик, налаживают связь между параллельными мирами, обеспечивают сотрудничество между ними, а потом выходят в тот из миров, который им больше понравится. Но для тех, кто остался снаружи, из этого ничего не выйдет. Эти чудаки буду раз за разом запираться в своем ковчеге и тут же выходить, потому что связь наладить не удалось.
Зато будет очень большая польза от "квантовых работников". Находящийся внутри ящика оператор сможет ответить одновременно на миллион телефонных звонков. Или управлять миллионом роботов, точнее телемеханических устройств. Правда, сам он никогда результатов своей работы не увидит, он будет все время попадать в ту ветвь реальности, где связь установить не удалось.
Вы, наверное, уже догадываетесь, как это изменит нашу жизнь. Неквалифицированные и даже средние работники, которых можно заменить манипуляторами, станут никому не нужны, ведь один хороший работник сможет заменить миллионы. Президент сможет лично поговорить с каждым из миллиона просителей, дать нагоняй сотне тысяч мелких чиновников. Правда, сам он результатов не увидит, поэтому придется сделать что-то вроде римских консулов, чтобы общаться с народом мог хотя бы один из двух. Ученый или писатель может зайти в ящик и дать каждому из параллельных "я" свое задание. А люди снаружи ящика смогут воспользоваться трудами всех их. Но сам автор этого не увидит, так что мотивы должны быть альтруистическими. Хотя можно придумать страховку на случай неудачи, если это уже признанный автор, то его застрахуют на выгодных условиях.
И это все - не считая гигантского скачка производительности компьютеров. Тут, правда, не n!, как в квантовых компьютерах, а просто n, но зато не нужно специальных алгоритмов, обычные параллельные вычисления, как на нескольких ядрах, и никакой сложной аппаратуры, все простое, дешевое, и может быть установлено на домашнем компьютере или даже мобильнике.
Такая вот идея.
Попытался я это опубликовать на arxiv.org. Не пропустили. "Не содержит оригинального и представляющего интерес научного исследования."
Нашел другой сервер, где публикуют без премодерации. Называется Zenodo, под управлением ЦЕРН.
Моя статья вот:
https://zenodo.org/record/5772582
Сначала идет английский текст, потом русский. Вроде, на Zenodo так не положено, но я по старой архивовской привычке...
В квантовой механике ничто не может находиться в конкретном месте и конкретном состоянии. В обычной жизни вы точно знаете, что вот этот стул находится у вас в комнате. А в квантовой механике он с какой-то вероятностью находится здесь, а с какой-то - на Марсе, только первая вероятность во много раз больше. В обычной жизни вы твердо знаете, что кот жив, а в квантовой механике он с какой-то вероятностью жив, а с какой-то - умер.
Плотность вероятности нахождения частицы в какой-то точке равна квадрату волновой функции. Что такое волновая функция и почему нельзя вместо волновой функции использовать сразу плотность вероятности? Если вы изучали физику хотя бы в объеме третьего курса, то вы должны это знать, а если не изучали, то объяснять слишком долго. У тяжелых частиц волновая функция имеет вид острого пика, у легких - пологого горба. Поэтому имея дело со стульями, котами и прочими очень тяжелыми с точки зрения квантовой механики объектами мы не замечаем неопределенности их состояния. А у легких частиц, вроде электрона, волновая функция сильно размазана, обычно мы не можем сказать справа от ядра атома находится электрон, слева или сверху, а часто даже неизвестно около какого ядра атома он находится, но кого это волнует, если этих электронов все равно никто не видел?
Еще в квантовой механике есть такое понятие как "измерение". Оно несколько шире, чем просто измерение какой-то величины с помощью научного прибора. Это любое получение информации о состоянии объекта. Когда мы проводим измерение, мы как бы вырезаем из волновой функции кусок, размеры которого определяются точностью нашего прибора, и измеряемый объект на мгновение обретает точные координаты. Потом его волновая функция снова расползается, но отрезанная часть исчезает для нас.
И вот в 1935 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал такой парадокс: помещаем в закрытый ящик кота. В том же ящике находится устройство, которое случайным образом выпускает в воздух яд. И вот если это устройство сработает во время нахождения кота в ящике, то он окажется в неопределенном состоянии - ни жив, ни мертв. Его волновая функция приобретет двугорбый вид, один горб соответствует состоянию "жив", другой - состоянию "мертв". И он останется в таком состоянии до тех пор, пока мы не откроем ящик. Это и будет "измерение". Половина волновой функции (какая именно - мы не знаем) окажется отброшена, и кот станет для нас практически точно живым или практически точно мертвым.
Обычно считают, что этот парадокс имеет скорее философский смысл, чем практический. Ведь неопределенное состояние существует только до тех пор, пока мы о нем не знаем. А когда узнаем, перестает быть неопределенным.
Но ведь интересно было бы посмотреть, как все это происходит? Убивать кота не обязательно, можно, например, поставить перед ним две автоматически открывающиеся кормушки - справа и слева, или еще что-нибудь придумать. И сделать какую-нибудь волшебную видеокамеру, показывающую как в разных ветвях реальности он совершает разные движения.
Как это ни фантастично, но, похоже, я придумал как это сделать.
Схлопывание волновой функции (оно же измерение) происходит, когда нас достигает какая-нибудь волна или частица, исходящая от измеряемого объекта. Но если мы будем передавать информацию так, чтобы никак нельзя было определить от какого из вариантов она пришла, то схлопывания волновой функции не произойдет и состояние останется неопределенным.
Теперь надо вспомнить немного другой раздел физики - волновую оптику.
Как известно, свет - это электромагнитные волны. Синусоидальные колебания электрического и магнитного поля. Если совместить две световых волны, в которых поле колеблется в противоположных направлениях (физики говорят: фаза смещена на половину периода), то они взаимно уничтожатся, света в этом месте не будет. На этом основано явление интерференции - пропускаем свет через два отверстия, а потом смотрим как он освещает лежащую за этими отверстиями плоскость. Вопреки ожиданиям, освещенность от двух отверстий не суммируется, а образует сложную интерференционную картину - где-то суммируется, а где-то вычитается, потому что фазы где-то совпадают, а где-то оказываются противоположными.
Есть такое устройство - фазовый преобразователь. Довольно обычная штука, даже продается в общедоступных интернет-магазинах, можете сами нагуглить. Он не задерживает свет, а только сдвигает его фазу.
Значит, делаем так: помещаем в ящик кота и кормушку, приводимую в действие квантовым генератором случайных чисел. Непременно квантовым, обычный генератор, встречающийся в некоторых программах, генерирует не настоящие, а псевдослучайные числа. Ничего страшного, квантовый генератор случайных чисел - тоже в наше время штука довольно обычная и тоже есть в открытой продаже. Ставим видеокамеру, чтобы наблюдать за котом. Но вывод видеокамеры соединяем не с обычным вайфаем или блютусом, а с особым хитрым каналом, который я, вот недавно, придумал.
В ящике делаем два маленьких отверстия. Через одно луч входит, через другое - выходит. В качестве источника света подойдет, например, лазерная указка. Источник и датчик света находятся снаружи ящика. А внутри ящика свет проходит через фазовый преобразователь, на который передаются особым способом закодированные данные с камеры. Вот схематическая картинка:
Если кот у нас обычный, а не шрёдингеровский, то никакой информации с камеры мы не получим. Ведь фазовый преобразователь не перекрывает и не усиливает луч, только сдвигает фазу, а на сдвиг фазы датчик не реагирует. Но если в одной из параллельных ветвей реальности фаза будет сдвинута на четверть волны вперед, а в другой - на четверть волны назад, то две световых волны в сумме дадут ноль. При этом кодировщик, управляющий фазовым преобразователем, "знает" в какой ветви он находится, ведь ему доступен результат срабатывания генератора случайных чисел. Поэтому можно придумать специальный код, передающий любую информацию через смещения фаз.
Важно, что мы не получаем никаких сигналов от какого-то одного из состояний. Осмысленная информация получается только из их интерференции. Поэтому схлопывания волновой функции не должно происходить.
В чем тут может быть подвох? Вообще-то, волны, исходящие от разных ветвей реальности, не идентичны. Они противоположны по фазе, то есть векторы электрического и магнитного поля в них направлены в противоположные стороны. И хотя фотоэлемент в целом не может регистрировать смещение фазы, но какие-то частицы внутри него - электроны, ядра атомов, будут под действием волн с разной фазой смещаться по-разному. Но я думаю, что это не должно помешать. Есть же всякие эксперименты с квантовой интерференцией, вроде эффекта Хонга - У - Мандела, там фотоэлементы регистрируют интерференцию.
В принципе, мой эксперимент можно было поставить еще во времена Шрёдингера. Лазеров тогда еще не было, но лазер здесь и не обязателен, достаточно монохромности. Фазовые преобразователи, наверное, были, а если даже не было, то их наверняка можно было изготовить при тогдашнем уровне техники.
Разумеется, в ящик можно помещать не только кота. Можно - компьютер. И тогда на одном компьютере можно будет выполнять множество параллельных вычислений, а через канал, состоящий из источника - фазового преобразователя - датчика, собирать результаты. Это похоже на квантовый компьютер, но более универсально и проще.
Можно поместить человека или несколько человек и устроить реалити-шоу с разными вариантами развития событий.
Интересно, можно ли передавать информацию извне внутрь ящика? В том числе информацию о разных вариантах развития событий внутри ящика? Это можно делать через обычный оптический канал, но не произойдет ли схлопывание волновой функции, как только информация об альтернативных событиях достигнет людей или устройств внутри ящика? Если да, то находящийся внутри ящика человек сможет поговорить сам с собой - со своим двойником из параллельной реальности.
Более того, ящик можно инвертировать, вывернуть наизнанку. Если источник и приемник света находятся внутри ящика, а фазовый преобразователь - снаружи, то получится настоящее устройство для связи между параллельными вселенными.
Я долго думал над тем, что будет при попытке передать информацию внутрь ящика. И пришел к выводу, что это получится для тех, кто находится снаружи, и не будет заметно тем, кто находится внутри.
Вот есть другой известный парадокс - "квантовое самоубийство". Предположим, кто-то выстрелит в себя из пистолета, который стреляет с вероятностью 50%. Тогда с вероятностью 50% он останется жив, и с такой же вероятностью умрет. Но сам он не сможет наблюдать собственную смерть, он всегда будет попадать в ту ветвь реальности, где жив. Ну, тут, конечно, можно сказать, что пистолет убивает не совсем мгновенно, умирающий успеет почувствовать удар, боль, угасание сознания. Но это все частности, будем считать, что используется такая штука, которая убивает незаметно. Например, человека усыпляют, а потом либо будят, либо добивают. Так вот, с точки зрения окружающих "квантовый самоубийца" после какой-то попытки наверняка умрет. Но со своей точки зрения он будет применять процедуру "квантового самоубийства" сколько угодно, и все равно останется жив.
К чему я все это рассказываю? К тому, что с моим "межмировым коммуникатором" будет то же самое - такое же расхождение событий с точки зрения разных наблюдателей. Люди, находящиеся снаружи ящика, смогут наблюдать, как человек входит в ящик, общается сам с собой и выходит. Но с точки зрения человека внутри ящика все будет выглядеть иначе. Он информацию о своем "втором я" не сможет получить даже в записи. Выйдя из ящика, он каждый раз будет узнавать, что эксперимент закончился неудачей, никаких данных из ящика не поступало.
Как я к этому пришел - могу объяснить, но это довольно долго и требует базовых знаний в квантовой механике. И я сам в этом не уверен, это только догадка.
Какой-то шанс попасть в ветвь реальности, где человек внутри ящика разговаривает со своим двойником, у него есть, но очень маленький, и я пока не могу определить - какой. Возможно, это что-то порядка планковских масштабов, то есть 23 нуля после запятой, но это я так, наугад ляпнул. На самом деле не знаю.
Соответственно, инвертированный ящик, к сожалению, почти никакого смысла иметь не будет. Разве что в формате, который я называю "ковчег". Один или несколько человек заходят в инвертированный ящик, налаживают связь между параллельными мирами, обеспечивают сотрудничество между ними, а потом выходят в тот из миров, который им больше понравится. Но для тех, кто остался снаружи, из этого ничего не выйдет. Эти чудаки буду раз за разом запираться в своем ковчеге и тут же выходить, потому что связь наладить не удалось.
Зато будет очень большая польза от "квантовых работников". Находящийся внутри ящика оператор сможет ответить одновременно на миллион телефонных звонков. Или управлять миллионом роботов, точнее телемеханических устройств. Правда, сам он никогда результатов своей работы не увидит, он будет все время попадать в ту ветвь реальности, где связь установить не удалось.
Вы, наверное, уже догадываетесь, как это изменит нашу жизнь. Неквалифицированные и даже средние работники, которых можно заменить манипуляторами, станут никому не нужны, ведь один хороший работник сможет заменить миллионы. Президент сможет лично поговорить с каждым из миллиона просителей, дать нагоняй сотне тысяч мелких чиновников. Правда, сам он результатов не увидит, поэтому придется сделать что-то вроде римских консулов, чтобы общаться с народом мог хотя бы один из двух. Ученый или писатель может зайти в ящик и дать каждому из параллельных "я" свое задание. А люди снаружи ящика смогут воспользоваться трудами всех их. Но сам автор этого не увидит, так что мотивы должны быть альтруистическими. Хотя можно придумать страховку на случай неудачи, если это уже признанный автор, то его застрахуют на выгодных условиях.
И это все - не считая гигантского скачка производительности компьютеров. Тут, правда, не n!, как в квантовых компьютерах, а просто n, но зато не нужно специальных алгоритмов, обычные параллельные вычисления, как на нескольких ядрах, и никакой сложной аппаратуры, все простое, дешевое, и может быть установлено на домашнем компьютере или даже мобильнике.
Такая вот идея.
Попытался я это опубликовать на arxiv.org. Не пропустили. "Не содержит оригинального и представляющего интерес научного исследования."
Нашел другой сервер, где публикуют без премодерации. Называется Zenodo, под управлением ЦЕРН.
Моя статья вот:
https://zenodo.org/record/5772582
Сначала идет английский текст, потом русский. Вроде, на Zenodo так не положено, но я по старой архивовской привычке...