Квантовая Страна Чудес. Часть 1: Сюрреализм и наука
Оригинал взят у lana_artifex в Квантовая Страна Чудес. Часть 1: Сюрреализм и наука
"Вы действительно верите, что Луна существует лишь когда вы смотрите на неё?"
Этот известный вопрос Альберта Эйнштейна аккумулирует в себе как суть продолжающихся уже сотню лет научных дебатов по поводу проблемы измерений, так и сущность самой природы волновой функции.
В фильме Акиры Куросавы "Расёмон" самурая убивают, но из фильма так и не понятно, кто и почему. Различные вовлечённые в историю персонажи рассказывают свои версии этих событий, но все их свидетельства противоречат одно другому. И в результате непонятно, какая из этих историй правда?
Похожая ситуация и в романе-мутанте Дж. Джойса "Улисс" (очень рекомендую, взрывает мозг). В нем описывается самый обычный день, но не как "объективная реальность", а как лабиринт, в котором почти 100 рассказчиков (или "рассказывающих голосов") излагает различные версии происходящего (различные "туннели реальности").
То же самое пытается сказать нам Рене Магритт своей знаменитой картиной "Вероломство образов".
Подпись внизу: "Это не трубка"
Итог: все эти произведения заставляют задуматься также о другом, более глубоком вопросе: Существует ли вообще истинная история или вся наша вера в определённую, объективную, независящую от наблюдателя реальность является иллюзией?
Опубликованная в журнале Nature Physics статья предоставляет новые экспериментальные данные, поддерживающие последний сценарий - о существовании "Расёмон-эффекта" не просто в наших описаниях природы, но и в самой природе.
За прошедшие сто лет, многочисленные эксперименты над элементарными частицами перевернули и поставили с ног на голову всю классическую парадигму причинной, детерминистской вселенной.
![]()
Возьмём, к примеру, так называемый эксперимент с двумя щелями. Постараюсь описать его, как я его поняла. Мы стреляем пачкой элементарных частиц - скажем, электронов - в экран, способный регистрировать их удар. Но перед экраном мы помещаем частично проходимое препятствие: стену с двумя тонкими параллельными вертикальными щелями. Мы смотрим на результирующий рисунок электронов, появляющийся на экране. И что же мы видим?
Если бы электроны были подобны маленьким шарикам (во что заставляла верить нас классическая физика), тогда каждый из них проскакивал бы через одну из щелей, а мы при этом увидели бы на экране две отдельные полосы, каждая за своей щелью. Но на самом деле видим мы нечто совершенно другое: интерференционную картину, как если бы две волны сталкивались, создавая рябь на воде.
И что удивительно, то же самое происходит, если мы начинаем выстреливать электроны по очереди - что говорит о том, что каждый электрон неким образом действует подобно волне, интерферируя сам с собой, как если бы он проходил через обе щели одновременно.
Если поместить у щелей приборы, которые "метят" электроны в соответствии с той щелью, через которую они проходят (что позволяет узнать их местонахождение), интерференционный паттерн исчезает. Вместо этого, на экране видно две классические полосы, как будто наши электроны, внезапно осознав, что за ними наблюдают, решили вести себя как приличные маленькие шарики.
Чтобы проверить эту их приверженность к тому, чтобы вести себя подобно частицам, можно метить их также при прохождении через щели - но после этого, используя другой прибор, стирать эти метки до того, как электроны ударятся об экран. Но в таком случае электроны вновь возвращаются к своему волноподобному поведению, и интерференционный рисунок чудесным образом снова проявляется.
Электрон, по итогу, выглядит как гибрид волны и частицы, про который нельзя сказать ни что он здесь и там, ни что он здесь или там. Как будто всем своим существованием он решил доказать верность известной максимы епископа Джорджа Беркли: "быть - значит быть воспринимаемым".
Действительно ли природа настолько странная?
Или это просто кажущаяся странность, являющаяся отражением нашего несовершенного знания о природе?
Ответ зависит от того, каким образом интерпретировать уравнения квантовой механики - математической теории, разработанной для описания взаимодействия элементарных частиц. Успешность этой теории не имеет себе равных: её предсказания, какими бы фантастическими они ни казались, всегда проверялись и подтверждались наблюдениями с поразительной точностью. Это очевидный факт, т.к. эти уравнения лежат в основе около 90% теорий современных, повседневно используемых технологий (по оценке Д. Гриббина). Они используются в телевидении, атомной энергетике, компьютерах, молекулярной биологии, генной инженерии, и много где ещё. Но является ли они также отражением картины реальности? И что вообще такое "реальность", если "каждый сам создает себе свой собственный туннель реальности" (Тимоти Лири). Вот как быстро физика превращается в философию, это невероятно увлекает.
Так что же такое "реальность" в контексте квантовой механики? В этом смысле, одним из самых больших вопросов здесь является интерпретация так называемой волновой функции, описывающей состояние квантовой системы. Для отдельной частицы, такой как электрон, волновая функция даёт информацию о вероятностях наблюдения данной частицы в определённых местах, также как вероятностях результатов других измерений, которые можно проделать над данной частицей, например, измерения её импульса.
Соответствует ли непосредственно эта волновая функция некой объективной, независящей от наблюдателя физической реальности или может быть она просто представляет собой частичное знание наблюдателя об этой реальности?
Если волновая функция основана на знании, то можно дать оправдание странным квантовым феноменам, сказав, что подобные вещи лишь представляются нам таким странным образом, поскольку наше знание реального состояния дел является недостаточным.
Однако новая статья из журнала Nature Physics даёт убедительные доказательства того, что это не так. Выводы статьи основываются на результатах экспериментов, использовавших пучки специально подготовленных фотонов для проверки определённых статистических свойств квантовых измерений. Если объективная реальность вообще существует, то статья как раз наглядно демонстрирует, что волновая функция основывается всё-таки не на знании, а на реальности.
Т.е., выводы этого исследования подразумевают, что мы не просто слышим разные «истории» об электроне, лишь одна из которых истинная. Скорее, действительно существует одна истинная история, но она содержит в себе множество граней, кажущихся противоречащими друг другу, точно также как и в фильме "Расёмон" и романе "Улисс". Так что, действительно мы не сможем уже вырваться из этой загадочной - как некоторые скажут, мистической - природы квантового мира.
Но что всё это значит для нас (если действительно что-то значит) в отношении нашей собственной жизни? Наверное, нужно быть здесь аккуратной в выводах, осознавая, что вся эта странность квантового мира не подразумевает напрямую наличия того же рода странности в мире нашего повседневного опыта. Причина в том, что вся эта туманная квантовая странность индивидуальных элементарных частиц быстро рассеивается в больших ансамблях частиц (феномен, который часто называют "декогеренцией"). Именно поэтому фактически и возможно описывать объекты вокруг нас на языке классической физики.
Думаю, скорее, стоит рассматривать все эти парадоксы квантовой физики в качестве метафоры, указывающей на неизвестные бесконечные возможности нашего собственного существования. Очень уместно и элегантно эта идея выражена в Ведах: "Каков атом, такова и вселенная; каков микрокосм, такой же и макрокосм; каково человеческое тело, такое и тело космическое; какова человеческая мысль, такова и мысль космическая".
"Вы действительно верите, что Луна существует лишь когда вы смотрите на неё?"
Этот известный вопрос Альберта Эйнштейна аккумулирует в себе как суть продолжающихся уже сотню лет научных дебатов по поводу проблемы измерений, так и сущность самой природы волновой функции.
В фильме Акиры Куросавы "Расёмон" самурая убивают, но из фильма так и не понятно, кто и почему. Различные вовлечённые в историю персонажи рассказывают свои версии этих событий, но все их свидетельства противоречат одно другому. И в результате непонятно, какая из этих историй правда?
Похожая ситуация и в романе-мутанте Дж. Джойса "Улисс" (очень рекомендую, взрывает мозг). В нем описывается самый обычный день, но не как "объективная реальность", а как лабиринт, в котором почти 100 рассказчиков (или "рассказывающих голосов") излагает различные версии происходящего (различные "туннели реальности").
То же самое пытается сказать нам Рене Магритт своей знаменитой картиной "Вероломство образов".
Подпись внизу: "Это не трубка"
Итог: все эти произведения заставляют задуматься также о другом, более глубоком вопросе: Существует ли вообще истинная история или вся наша вера в определённую, объективную, независящую от наблюдателя реальность является иллюзией?
Опубликованная в журнале Nature Physics статья предоставляет новые экспериментальные данные, поддерживающие последний сценарий - о существовании "Расёмон-эффекта" не просто в наших описаниях природы, но и в самой природе.
За прошедшие сто лет, многочисленные эксперименты над элементарными частицами перевернули и поставили с ног на голову всю классическую парадигму причинной, детерминистской вселенной.
Возьмём, к примеру, так называемый эксперимент с двумя щелями. Постараюсь описать его, как я его поняла. Мы стреляем пачкой элементарных частиц - скажем, электронов - в экран, способный регистрировать их удар. Но перед экраном мы помещаем частично проходимое препятствие: стену с двумя тонкими параллельными вертикальными щелями. Мы смотрим на результирующий рисунок электронов, появляющийся на экране. И что же мы видим?
Если бы электроны были подобны маленьким шарикам (во что заставляла верить нас классическая физика), тогда каждый из них проскакивал бы через одну из щелей, а мы при этом увидели бы на экране две отдельные полосы, каждая за своей щелью. Но на самом деле видим мы нечто совершенно другое: интерференционную картину, как если бы две волны сталкивались, создавая рябь на воде.
И что удивительно, то же самое происходит, если мы начинаем выстреливать электроны по очереди - что говорит о том, что каждый электрон неким образом действует подобно волне, интерферируя сам с собой, как если бы он проходил через обе щели одновременно.
Если поместить у щелей приборы, которые "метят" электроны в соответствии с той щелью, через которую они проходят (что позволяет узнать их местонахождение), интерференционный паттерн исчезает. Вместо этого, на экране видно две классические полосы, как будто наши электроны, внезапно осознав, что за ними наблюдают, решили вести себя как приличные маленькие шарики.
Чтобы проверить эту их приверженность к тому, чтобы вести себя подобно частицам, можно метить их также при прохождении через щели - но после этого, используя другой прибор, стирать эти метки до того, как электроны ударятся об экран. Но в таком случае электроны вновь возвращаются к своему волноподобному поведению, и интерференционный рисунок чудесным образом снова проявляется.
Электрон, по итогу, выглядит как гибрид волны и частицы, про который нельзя сказать ни что он здесь и там, ни что он здесь или там. Как будто всем своим существованием он решил доказать верность известной максимы епископа Джорджа Беркли: "быть - значит быть воспринимаемым".
Действительно ли природа настолько странная?
Или это просто кажущаяся странность, являющаяся отражением нашего несовершенного знания о природе?
Ответ зависит от того, каким образом интерпретировать уравнения квантовой механики - математической теории, разработанной для описания взаимодействия элементарных частиц. Успешность этой теории не имеет себе равных: её предсказания, какими бы фантастическими они ни казались, всегда проверялись и подтверждались наблюдениями с поразительной точностью. Это очевидный факт, т.к. эти уравнения лежат в основе около 90% теорий современных, повседневно используемых технологий (по оценке Д. Гриббина). Они используются в телевидении, атомной энергетике, компьютерах, молекулярной биологии, генной инженерии, и много где ещё. Но является ли они также отражением картины реальности? И что вообще такое "реальность", если "каждый сам создает себе свой собственный туннель реальности" (Тимоти Лири). Вот как быстро физика превращается в философию, это невероятно увлекает.
Так что же такое "реальность" в контексте квантовой механики? В этом смысле, одним из самых больших вопросов здесь является интерпретация так называемой волновой функции, описывающей состояние квантовой системы. Для отдельной частицы, такой как электрон, волновая функция даёт информацию о вероятностях наблюдения данной частицы в определённых местах, также как вероятностях результатов других измерений, которые можно проделать над данной частицей, например, измерения её импульса.
Соответствует ли непосредственно эта волновая функция некой объективной, независящей от наблюдателя физической реальности или может быть она просто представляет собой частичное знание наблюдателя об этой реальности?
Если волновая функция основана на знании, то можно дать оправдание странным квантовым феноменам, сказав, что подобные вещи лишь представляются нам таким странным образом, поскольку наше знание реального состояния дел является недостаточным.
Однако новая статья из журнала Nature Physics даёт убедительные доказательства того, что это не так. Выводы статьи основываются на результатах экспериментов, использовавших пучки специально подготовленных фотонов для проверки определённых статистических свойств квантовых измерений. Если объективная реальность вообще существует, то статья как раз наглядно демонстрирует, что волновая функция основывается всё-таки не на знании, а на реальности.
Т.е., выводы этого исследования подразумевают, что мы не просто слышим разные «истории» об электроне, лишь одна из которых истинная. Скорее, действительно существует одна истинная история, но она содержит в себе множество граней, кажущихся противоречащими друг другу, точно также как и в фильме "Расёмон" и романе "Улисс". Так что, действительно мы не сможем уже вырваться из этой загадочной - как некоторые скажут, мистической - природы квантового мира.
Но что всё это значит для нас (если действительно что-то значит) в отношении нашей собственной жизни? Наверное, нужно быть здесь аккуратной в выводах, осознавая, что вся эта странность квантового мира не подразумевает напрямую наличия того же рода странности в мире нашего повседневного опыта. Причина в том, что вся эта туманная квантовая странность индивидуальных элементарных частиц быстро рассеивается в больших ансамблях частиц (феномен, который часто называют "декогеренцией"). Именно поэтому фактически и возможно описывать объекты вокруг нас на языке классической физики.
Думаю, скорее, стоит рассматривать все эти парадоксы квантовой физики в качестве метафоры, указывающей на неизвестные бесконечные возможности нашего собственного существования. Очень уместно и элегантно эта идея выражена в Ведах: "Каков атом, такова и вселенная; каков микрокосм, такой же и макрокосм; каково человеческое тело, такое и тело космическое; какова человеческая мысль, такова и мысль космическая".