Проблемы квантовой физики

Философия и физика, связь сознания и квантовой механики

Проблемы квантовой физики


Статья посвящена связи сознания с квантовой механикой, созданию модели окружающего мира при помощи объединения двух сфер знания (естественные науки и субъективный опыт человека) на основе концептуальной структуры квантовой механики.

Ключевые слова: многомировая интерпретация Эверетта, двущелевой эксперимент, квантовая механика, сознание, кот Шредингера

Думаю, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает.

Ричард Фейнман (1964)

Основной задачей моей работы является попытка осмысления совместимости понятия «сознание» с динамично развивающейся областью теоретической физики — квантовой механикой.

Так же я попытаюсь рассмотреть философию не как историю философии (что часто путают), и не как ни на чем не основанные размышления (или основанные на очень зыбком фундаменте), а как элемент построения квантовой концепции жизни. [9, с.13]

В недалеком прошлом для физики такой философской проблемы как «сознание» не существовало, поскольку физика не занимается ни проблемой сознания, ни проблемой свободы воли.

Физика занимается лишь созданием модели окружающего мира (которая, естественно, не претендует на абсолютную истину), которая будет работать, и которая может быть спокойно отвергнута, если будет предложена более совершенная модель.

Примером одной из таких альтернативных моделей будет представление католической церкви о том, что за звездами стоят ангелы, которые ими управляют. Такое представление вполне тянет на модель окружающего мира и даже неплохо его объясняет [1].

Как правило, физика моделирует, упрощает процессы (так сложный физический объект превращается в точку, которой можно оперировать). «Физика фактически начинается с введения понятий массы, силы и инерциальной системы. Все эти понятия суть свободные изобретения» [2, с.

282] Квантовая механика занимается микромиром, и если попытаться перенести правила микромира на макромир, то появляются парадоксы, один из которых известен как «Кот Шредингера». Подобные парадоксы уже в античности решались философами «диалектическим методом, когда противоположные возможности совместимы. В квантовой физике это назвали выведением состояния суперпозиции». [3, c.103]

Стоит отметить, что в 2010 году был проведен эксперимент (Аарон О’Коннелл), в котором охлажденную до абсолютного нуля металлическую пластину, поместили в непрозрачную вакуумную камеру. К камере присоединили датчики и придали пластине импульс.

Датчики зафиксировали невероятный результат: пластина вибрировала и не вибрировала одновременно, что доказало принцип суперпозиции на макрообъектах. [4] Чтобы решить эти парадоксы были предложены различные взгляды (интерпретации) на сущность квантовой теории, описывающей материальный мир.

Но, как оказалось, также эти интерпретации могут решить философские проблемы, такие как: природа физической реальности, способ её познания, детерминизм, причинность и др.

Философия и физико-математические науки:

Когда-то давно не было достаточных знаний для объяснения окружающего мира, а желание понять все присутствовало. В Средневековье богословие было едва ли не единственным способом познания мира. Так, Оккам, на бритву которого ссылаются до сих пор, был монахом, богословом. И обоснования построенной картины мира у богословов были вполне логичные.

С развитием науки, философия начинает опираться на физику и математику. Но мир меняется, и, как мне кажется, большинство философских обобщений научных фактов — спекуляции, построенные на недопонимании. Современная философия развивается исключительно на западе и занимается утилитарными вещами, вроде философии науки и т. д.

Однако, для понимания нашего мира или понимания его непонимания философия все же необходима, в доказательство этого я хочу привести размышления Стивена Хокинга: «Представьте себя рыбкой, живущей в аквариуме с выпуклыми стенками.

Что вы знали бы о нашем мире, если бы всю жизнь смотрели на него в искажении от стекла и не имели возможности выбраться? Невозможно познать истинную природу реальности: мы считаем, что чётко представляем себе окружающий мир, но, говоря метафорически, мы обречены всю жизнь провести в аквариуме, так как возможности нашего тела не дают нам выбраться из него».

[5] Находясь под впечатлением этих слов, правительство итальянского города Монц запретило держать рыбок в круглых аквариумах, чтобы рыбки могли воспринимать мир таким, какой он есть, без искажения света. Таким образом физика сталкивается с необходимостью принимать во внимание проблему сознания.

Квантовая механика

Квантовая механика — это один из разделов теоретической физики, который описывает различные физические явления, величина действия которых сравнима с постоянной Планка. При увеличении величины действия системы квантовая механика переходит в классическую.

Квантовая механика формировалась на протяжении 27 лет: с выступления Макса Планка в Немецком физическом обществе (14 декабря 1900 года) до появления копенгагенской интерпретации в начале 1927 года. В развитии квантовой теории приняли участие такие ученые, как: Борн, Пауль, Планк, Шрёдингер, Гейзенберг, Паули и др. [6]

Наибольший интерес для моей работы представляет собой двухщелевой эксперимент: суть его в том, что квантовые частицы (фотоны, электроны, кварки и др.) проявляют корпускулярно-волновой дуализм, т. е.

ведут себя как частицы и как волны одновременно(при одной щели-ведут себя как частицы, при двух щелях-как волны, т. е.

одна частица, как бы, раздваивается, проходит через две щели и интерферирует между собой и ударяется в экран как частица, а с точки зрения математики, частицы вовсе проходят через обе щели и не проходят ни через одну из них). Вдобавок, при попытке вмешаться в эксперимент (т. е.

зафиксировать факт пролета частицы через одну из щелей) наблюдатель разрушает волновую функцию просто фактом своего наблюдения.

[7] В качестве хорошего примера, демонстрирующего всю странность явлений в квантовом мире, можно привести мысленный эксперимент под названием «квантовая вагонетка»: Представьте, что квантовая частица — это вагонетка, которая едет вниз по рельсам. Если переключить стрелку на путь А, то она убьёт человека на пути А, а если на путь Б — убьёт человека на пути Б. Однако, если ничего не делать и не смотреть на вагонетку, то она пройдёт по обоим путям, деструктивно проинтерферирует с собой и проедет мимо обоих людей.

Этот эксперимент поставил ряд вопросов: Что такое материя: частицы или волны? И волны чего? И причем тут наблюдатель? Чтобы объяснить этот эксперимент были предложены различные философские воззрения на счет квантовой механики (интерпретации).

Интерпретации квантовой механики.

В настоящее время известно около 10 различных интерпретаций. Наибольший интерес (и наибольшую распространенность) имеет две:

Копенгагенская интерпретация (Нильс Бор и Вернер Гейзенберг) и Многомировая (Хью Эверетт). Стоит также заметить, что многие физики, вообще не склоняются ни к каким интерпретациям, а работают по принципу Дэвида Мермина: «Shut up and calculate» («Заткнись и считай!»).

Так как я не являюсь профессиональным физиком, а моя работа не является научным трактатом, то я могу позволить себе без угрызений совести рассмотреть эти интерпретации, не особо вдаваясь в математический аппарат, в чисто философском плане (т. е.

на чисто научной основе сформировать собственное убеждение).

Суть копенгагенской интерпретации состоит в том, что «классический» мир (макромир с наблюдателями) отделен от квантового. До момента измерения микрообъект находится в суперпозиции (т. е. во всех состояниях сразу), но когда происходит измерение, то это состояние нарушается: квантовая функция коллапсирует, сводясь случайным образом к одному из состояний.

Однако эта интерпретация встретила резкую критику, в том числе и от величайших ученых. А. Энштейн восклицал: «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на неё смотрите?». А Э.

Шредингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент с котом: кот помещается в коробку, в которой находится счетчик Гейгера и небольшое количество радиоактивного вещества, настолько малое, что распасться/не распасться может только один атом этого вещества.

При распадении вещества, счетчик фиксирует это и при помощи механизма разбивает колбу с ядом, что приводит к смерти кота. Сущность этого мысленного эксперимента в том, что суперпозиция из микромира переходит на макрообъект, т. е. кот жив и мертв одновременно и только прямое наблюдение за котом разрушает суперпозицию. Юджин Вигнер пошел дальше: он ввел категорию друзей.

Согласно его теории кот умрет/выживет только тогда, когда каждый человек во вселенной узнает о его смерти/жизни.

Несмотря на подобную критику, физики из Массачусетского технологического университета (MIT) впервые доказали на нейтрино нарушения неравенств Леггетта-Гарга (условия, которые должны выполняться в полностью детерминированном мире), от которых зависит реализуемость эксперимента Шредингера с котом.

Исследование принято к публикации Physical Review Letters, коротко о нем сообщает Science и пресс-релиз MIT. Им удалось доказать, что до измерения нейтрино не отличимы друг от друга (использовалась сложная система, которая не нарушала суперпозицию), а после они превратились в разные сорта нейтрино: электронные и тау-нейтрино.

Кстати, благодаря этому эксперименту удалось доказать реальность нашего мира. Правда, немного ранее ученые из Института квантовой оптики Общества Макса Планка показали, что использовать данные неравенства для тестов макрореализма не достаточно и предложили заменить эти неравенства на уравнения причинности. [8] Так же стоит отметить, что недавно Е. Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. Согласно их открытию, время — это всего лишь побочный эффект квантового спутывания, и со стороны внешнего наблюдателя, наша вселенная статична. Такие результаты выходят за рамки физики, они по сути метафизичны.

Наибольший интерес для меня представляет многомировая интерпретация Эверетта и следующая из нее Расширенная Концепция Эверетта (Квантовая Концепция Жизни, включающая в себя Квантовую Концепцию Сознания), предложенная в 2000 году профессором, доктором физико-математических наук М. Б. Менским.

Суть интерпретации Эверетта состоит в том, что «классический» мир (т. е. макромир с наблюдателями) так же представляет собой квантовую систему, и результат измерения так же является суперпозицией. Но в реальном мире мы этого не замечаем, т. к.

наши копии могут знать только то, что происходит в данной ветви, но ни в какой другой.

М. Б. Менский на основе многолетней работы и изучении материалов, пришел к выводу, что стоит рассматривать подход к объединению двух сфер знания (естественные науки и субъективный опыт человека) на основе концептуальной структуры квантовой механики. Необходимо включить сознание наблюдателя в теорию квантовых измерений.

Благодаря этому, мы не только решим внутренние проблемы квантовой механики, но и поймем, что такое сознание. Итак, Расширенная Концепция Эверетта (Квантовая Концепция Сознания) основана на отождествлении сознания с разделением классических альтернатив (разделение классических миров).

Из этого можно сделать вывод о сущности сознания: если сознание отождествляется с разделением миров, то с отключением сознания, стираются границы этих миров, и мы получаем огромную базу данных. Информация оттуда дает нам возможность сверхинтуиции, т. е. прямого усмотрения истины.

Второе положение говорит о том, сознание может влиять на то, какая из возможных альтернатив будет восприниматься нами субъективно, т. е. управлять реальностью. [9, с. 111]

Стоит также отметить, что существуют мнения о том, что все парадоксы квантовой механики возникли исключительно из-за неудачной терминологии и «кривых» интерпретаций: зависимость законов природы от наличия или отсутствия наблюдателя, «коллапсы» — это результат непонимания сложной теории квантовой механики, действующей в Гильбертовом пространстве.

Частица — это, прежде всего, координата, степень свободы, один из аргументов волновой функции вселенной. Только вся вселенная является функцией, иногда мы принимаем допущения: например в изолированной системе можно выделить свою функцию, которая будет входить множителем, но частиц много, а волна одна.

Поэтому «выбор» между частицей или волной априори отсутствует.

Заключение:

На основе научных фактов я могу принять наиболее приемлемую для меня модель окружающего мира: наиболее правдоподобной мне кажется модель, созданная М. Б. Менским.

Литература:

  1. Чирцов А. С. Геоцентрические системы мира. Лекция 1.2 // Лекториум. URL: https://www.lektorium.tv/mooc2/26291 (дата обращения: 28.01.2017).
  2. Эйнштейн Альберт, Инфельд Леопольд. Эволюция физики. — СПб.: Амформа, 2015. — 283 с.

Источник: https://moluch.ru/archive/139/39022/

Проблемы квантовой физики

Проблемы квантовой физики

Многие из проблем квантовой физики носят теоретический характер, что означает неспособность существующих теорий объяснить некоторые из наблюдаемых явлений или экспериментальных результатов.

Другие проблемы относятся к разряду экспериментальных, что подразумевает наличие сложностей в создании эксперимента на тему проверки предлагаемой теории или более подробного исследования какого-либо явления.

Проблема интерпретации квантовой механики

Серьезную проблему для ученых в XIX в. представляла правильная интерпретация квантовой механики. Несмотря на создание ряда теорий в квантовой физике, механика квантов носила характер незавершенности, у физиков оставалось множество вопросов, а квантово-механические формализмы были в большинстве своем абстрактными. Мнения физиков разделились.

Так, А. Эйнштейн и ряд других физиков считали неполным квантово-механическое описание физической реальности. Согласно их мнению, созданная теория не может считаться фундаментальной, а является только промежуточной ступенью для нее. Это обуславливает необходимость дополнить ее принципиально новыми понятиями и постулатами (дорабатывать часть оснований теории, связанную с ее принципами).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Н. Бор, М. Борн и В. Гейзенберг, напротив, считали новую квантовую теорию фундаментальной и дающей возможность полного описания физической реальности. При этом прояснить все интересующие детали, по их мнению, возможно только посредством более глубокого исследования в атомной физике проблемы наблюдений.

Главной отличительной особенностью экспериментальных исследований в квантовой физике считается фундаментальная роль взаимодействия физического объекта и измерительного устройства. Это имеет отношение к корпускулярно-волновому дуализму, количественное выражение принцип которого получает в идее волн де Бройля.

Для любого объекта, одновременно проявляющего волновые и корпускулярные свойства, существует связь импульса $p$, энергии $E$ (присущими ему как частице) с его волновыми параметрами:

  • вектором $k$;
  • длиной волны $\lambda$;
  • частотой $v$;
  • циклической частотой $\omega$.

Данная связь выражается соотношениями:

$p=\bar{h}k$

$|p|=h \lambda$

$E=\bar{h}\omega=hv$, где $\bar{h}$ и $h=2\pi\bar{h}$ будут редуцированной и обычной постоянной Планка, соответственно. Данные формулы могут применяться и для релятивистских импульса и энергии.

Замечание 1

В разных условиях свет и частицы проявляют противоречивые свойства, формируя спорные представления ученых о них.

В одном типе измерительных приборов (например, дифракционная решетка) они представлены в виде распределенного в пространстве непрерывного поля, описываемого волновой функцией.

В другом типе приборов (например, пузырьковая камера) эти микроявления выступают в качестве частиц, материальных точек.

Проблема концепции целостности в квантовой физике

Еще одной проблемой квантовой физики была сложность рассмотрения объекта с позиции самостоятельного существования. Это способствовало формированию концепции целостности. С момента возникновения естествознания, в его основе (вплоть до открытия М. Планка) господствовала механистическая концепция части и целого.

Замечание 2

Принцип дополнительности отражает фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект, таким образом, нельзя рассматривать в самостоятельном аспекте, поскольку он не обладает какими-либо индивидуальными свойствами. Такой объект всегда находится в классически определенных внешних условиях.

Концепция целостности в квантовой физике будет отличаться от механистической концепции целого и части, поскольку сам объект как вне, так и внутри целого не один и тот же. Отдельный объект рассматривается только в отношении к чему-либо. Свои свойства он проявляет только в отношении конкретной целостности, чем и будет определяться статистическая природа его поведения.

Эта концепция свое содержательное развитие получила благодаря научной работе следующих авторов — А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена в их публикации о квантово-механическом описании физической реальности (1935 г.). В ней физики сформулировали парадокс, впоследствии названный парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена

Этот парадокс представлял попытку ученых указать на проблему неполноты квантовой механики посредством мысленного эксперимента. Данный эксперимент заключался в косвенном измерении параметров микрообъекта (исключая непосредственное воздействие на него).

Цель этого косвенного измерения заключалась в попытке получить как можно больше информации о состоянии микрообъекта, чем это возможно за счет квантово-механического описания.

Изначально споры вокруг парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена носили чисто философский характер, связанный с тем, что же именно следует считать элементами физической реальности – только результаты проведенных опытов или нет. Также ученые задавались вопросом: может ли вселенная быть разложена на так называемые отдельно существующие «элементы реальности» таким образом, чтобы каждый из них имел свое математическое описание.

Согласно идее соотношения неопределенностей Гейзенберга, невозможно с одновременной точностью произвести измерение импульса частицы и ее координаты. При этом допускается гипотетический способ измерения, позволяющий обойти принцип неопределенностей и произвести измерение.

Предположим, что две одинаковых частицы $A$ и $B$ образовались вследствие распада третьей — $C$. В таком случае, согласно закону о сохранении импульса, их суммарный импульс $P_A+P_B$ должен равняться исходному импульсу третьей частицы ($P_C$). Иными словами, импульсы двух частиц должны быть взаимосвязаны.

Такое условие позволяет произвести измерение импульса одной частицы $A$ а также (по закону о сохранении импульса: $P_B=P_C-P_A$) рассчитать импульс второй $P_B$ без внесения в ее движение каких-либо возмущений.

Теперь, после измерения координаты второй частицы, становится возможным получить для нее значения двух величин (неизмеримых одновременно), что невозможно на основании законов квантовой механики.

Соотношение неопределенностей, таким образом, не может считаться абсолютным, а законы квантовой механики не являются полными, поэтому предполагают уточнение в будущем.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/problemy_kvantovoy_fiziki/

3 нерешенные проблемы фундаментальной физики — лонгриды от ПостНауки

Проблемы квантовой физики

ЖУРНАЛ В фундаментальной физике, в отличие от математики, есть всего лишь три основные нерешенные проблемы, которыми занимаются фактически все ученые из этой области науки, — это проблема космологической постоянной, проблема конфайнмента кварков и проблема квантовой гравитации.

Проблема космологической постоянной

Представьте себе лунку, в которой лежит шарик. Если его пошевелить, он начнет колебаться и без трения будет колебаться вечно — получится классический осциллятор. Но если шарик не трогать, то он будет просто лежать на дне.

Однако квантовая частица — это не шарик, а волна. А потому основное состояние квантового осциллятора имеет ненулевую энергию. Это волна с единственным гребнем внутри лунки. То есть квантовая частица колеблется даже в основном состоянии. Это так называемые нулевые колебания. Они происходят в любой квантовой системе, в том числе в квантовой теории поля.

В квантовой теории поля вакуум — это не пустота. Он состоит из нулевых колебаний. Если нет гравитации, то энергию рассчитывают от полной энергии этих нулевых колебаний. Их как бы отбрасывают. И все частицы в квантовой теории поля — это возбуждение над нулевыми колебаниями.

Однако в присутствии гравитации нулевые колебания отбросить нельзя. Они ведь что-то «весят», то есть искривляют пространство-время. Поэтому возникает проблема.

Теоретически предсказано, что нулевые колебания составляют огромную вакуумную энергию. Однако наблюдения показывают, что вакуумная энергия в нашей Вселенной очень мала. Это то, что сейчас называется темной энергией в космосе. Она приводит к ускоренному расширению Вселенной, так как что-то «весит».

Именно в этом и заключается проблема космологической постоянной: с одной стороны, квантовая теория поля предсказывает, что она огромная, а с другой стороны, наблюдаем очень маленькую.

Куда девается огромная вакуумная энергия, предсказанная квантовой теорией поля? И какова тогда природа темной энергии?

Проблема конфайнмента кварков

Известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Они взаимодействуют друг с другом при помощи ядерных сил. Если сталкивать протоны, наращивая энергию, мы увидим рождение огромного многообразия новых частиц — адронов.

Все адроны описываются одним способом: они состоят из кварков. Это наблюдают, рассеивая электрон на протоне при очень высоких энергиях. Оказывается, что при этом электрон рассеивается практически так же, как альфа-частицы на атомах.

Последнее было изучено Резерфордом в начале ХХ века: он увидел, что альфа-частица рассеивается на очень концентрированном центре ядра, которое имеет очень маленький размер.

Оказывается, что точно так же электрон рассеивается на протоне, но с одной оговоркой: у протона как будто есть три центра с соответствующими зарядами.

Внутри протона действительно находятся три кварка. Но по непонятной причине отдельно эти кварки мы получить не можем, мы всегда их видим только в составе адронов. Теорию кварков мы знаем, и это квантовая хромодинамика, которая описывает кварки и глюоны. Последние переносят взаимодействие между кварками, точно так же как фотоны между электрическими зарядами.

Квантовую хромодинамику мы хорошо понимаем при высоких энергиях. Тогда она действительно описывает физику адронов. Но при низких энергиях электрон рассеивается на адронах как на целом.

Как переходит одно описание, при помощи практически свободных кварков, к другому — в виде адронов как связанных состояний из кварков? И почему кварки не существуют по отдельности? В этих вопросах и состоит суть проблемы конфайнмента.

Проблема квантовой гравитации

У квантовой теории поля есть проблемы с существованием бесконечных частот. Грубо говоря, поле можно гнуть как угодно, со сколь угодно высокой точностью.

Из-за этого возникают так называемые расходимости, а именно: при вычислении различных физических величин в квантовой теории поля мы получаем бесконечные вклады.

Во всех ныне разработанных квантовых теориях поля, с которыми мы имеем дело, эти расходимости могут быть устранены переопределением нескольких констант связи, таких как заряды и массы частиц, например.

При этом для того, чтобы устранить похожую проблему при квантовании гравитации, приходится переопределять бесконечное количество констант связи.

При повышении энергии теорию нужно усложнять все больше и больше.

Это говорит о том, что теория гравитации является применимой только при низких энергиях, а в ее основе должна лежать более фундаментальная (высокоэнергетическая) теория, которую мы пока не знаем.

Источник: https://postnauka.ru/longreads/81417

Почему топовые физики считают слабые квантовые измерения лженаукой

Проблемы квантовой физики

Слабые измерения (weak measurements, interaction-free measurements, обратимые измерения, бесконтактные измерения) являются довольно известной в узких кругах парадигмой, упоминаемой даже на Хабре.

Идея выдвинута и продвигается с 90-х годов израильской школой физиков (Якиром Аароновым, Львом Вайдманом и множеством менее известных личностей) и сводится к тому, что постулат квантовой механики об измерении якобы можно обойти.

Вот этот несчастный постулат:При измерении вектор состояния (волновая функция) коллапсирует в один из собственных векторов (функций) оператора измеряемой величины.
Израильские физики неявно (и ошибочно) полагают, что коллапс происходит при взаимодействии измерительного прибора с измеряемой системой. Поэтому их логика следующая: давайте подумаем как измерить систему без физического взаимодействия чего-либо с этой системой. Тогда мы докажем, что измерение произведено, а коллапса не произошло. И они привели следующий мысленный эксперимент, сейчас широко известный благодаря Роджеру Пенроузу.

Квантовые бомбы Элицура-Вайдмана

Пусть имеются бомбы, настолько чувствительные, что взрываются при попадании на них даже одной единственной элементарной частицы, например фотона. Известно, что некоторые из бомб сломаны, но неизвестно какие именно. Стоит задача отсортировать нерабочие бомбы от рабочих не взорвав при этом последние. Кажется, что при озвученных условиях задача неразрешима.

Чтобы проверить работоспособность бомбы необходимо ее разобрать или еще что-то с ней проделать. В любом случае к ней придется прикоснуться, но согласно правилам игры это приведет к взрыву. Действительно, в рамках классической физики проверить такую бомбу на работоспособность не взорвав ее невозможно. Однако в нашем квантовом мире возможно практически все.

Поместим бомбу в одно из плеч интерферометра Маха-Цендера. Пусть зеркало будет частью бомбы. Если бомба нерабочая, то интерферометр будет рабочим. Оба плеча интерферометра идентичны, информация о том по какому из плеч прошел фотон отсутствует. Будет наблюдаться интерференция и все фотоны попадут в нижний детектор.

Если же бомба попадется рабочая, то интерферометр будет нерабочим. Два плеча теперь не идентичны. Фотон пройдя по нижнему плечу приведет к взрыву бомбы. Интерференции уже не будет, поскольку имеется информация о том через какое из плеч прошел фотон (взорвалась бомба или нет).

Фотон может отразиться от первого полупрозрачного зеркала, пройти по верхнему плечу, отразиться от второго полупрозрачного зеркала и попасть в верхний детектор. Но заметьте, что в случае нерабочей бомбы он не мог оказаться в верхнем детекторе – значит бомба рабочая. Но она не взорвалась поскольку фотон шел по верхнему плечу.

Фиксирование фотона верхним детектором говорит о том, что бомба рабочая и при этом она остается целой.

Более детальное обсуждение эксперимента Элицура-Вайдмана тут.

Опровергли ли еврейские физики этим опытом постулат об измерении? Конечно же нет. В чем же ошибка в их логике? Проблема в том, что они не понимают, что измерение – это получение наблюдателем информации, а не взаимодействие системы с измерительным прибором. Именно при получении наблюдателем новых данных происходит коллапс вектора состояния. То, что информация о работоспособности бомбы получена не непосредственным физическим взаимодействием с ней измерительного прибора ничего не меняет. Удивились ли бы отцы-основатели квантовой механики такому мысленному эксперименту, дожив они до его публикации? Конечно же нет! Не зря же они ввели в квантовую механику понятие «наблюдатель» (observer). Если бы измерительный прибор был наблюдателем, то этот дополнительный физический термин был бы излишним. Кто или что тогда является наблюдателем? Тот, кто получает новые данные и есть наблюдатель. Именно для него квантовая механика дает вероятностные предсказания результатов будущих измерений на основе имеющихся у него в данный момент данных.

Квантовая запутанность и коллапс вектора состояния

Тот факт, что коллапс – это не физический процесс, а лишь обновление знаний наблюдателя о системе при получении им новых данных конечно был известен отцам-основателям. Возьмем классический эксперимент по квантовой запутанности, обсуждаемый еще самим Нильсом Бором в споре с Эйнштейном.

Пи-мезон распадается на электрон и позитрон, которые разлетаются на разные концы галактики. Их спины оказываются в запутанном состоянии. При измерении обоих спинов относительно одного и того же направления оси, они всегда окажутся противоположными, чтобы в сумме дать ноль.

Предсказать каким именно окажется спин невозможно без информации о результате измерения спина второй частицы. Пусть Алиса захотела измерить спин электрона относительно оси z и он оказался +1/2. Ее вектор состояния при этом коллапсирует в вектор «спин вверх».

Что при этом произошло с вектором состояния второго наблюдателя – Боба, следящего за позитроном? Ничего. Для него ничего не изменилось. Алиса знает, что если Боб захочет померить спин позитрона относительно оси z, то он получит -1/2. Но Боб этого не знает. Его вектор состояния еще не сколлапсировал. Когда же произойдет коллапс для Боба? 1.

Он измерит спин позитрона относительно оси z, обнаружит -1/2 и его вектор сколлапсирует в вектор «спин вниз». 2. Алиса пришлет ему информацию о результате своего измерения и при ее получении вектор также сколлапсирует в «спин вниз» относительно оси z.

Второй вариант — это как раз то, что израильские ученые начали называть «interaction-free measurements» (бесконтактные измерения). Как видим, ничего нового кроме дополнительного излишнего термина они не изобрели. Вектор состояния коллапсирует в любом случае и именно в момент получения новой информации о системе.

Этот коллапс по определению и есть измерение. Заметьте, что Боб может выбрать какую-то другую ось, не обязательно z. Скажем его ось на несколько градусов отклонена от оси Алисы.

Без информации от Алисы о результате ее измерения, все измерения Боба абсолютно случайны (это свойство синглетного состояния: относительно любого направления оси спин с 50%-ной вероятностью окажется «вверх» и с 50%-ной вниз).

Однако если до своего измерения он получит информацию от Алисы, то его вектор состояния коллапсирует. Вероятности перераспределяются. Скажем 90%, что его спин окажется «вниз» и 10% «вверх», если у Алисы оказался «вверх». А если у Алисы спин оказался «вниз», то при получении этой (другой) информации вектор коллапсирует в другой вектор, который даст 10% «вниз» и 90% «вверх».

Квантовая механика позволяет получить точную формулу для таких корреляций вероятностей из которой также следует, что нельзя предполагать направление спина определенным до получения информации о результате измерения.

Спин позитрона на другом конце вселенной не меняется мгновенно при измерении спина запутанного с ним электрона, как часто утверждается.

И да, сверхсветовая передача информации невозможна поскольку Алиса получает случайные результаты при измерении спина электрона.

В общем, несмотря на старания израильских физиков, от коллапса не получится избавиться. При измерении (получении новых данных) происходит коллапс вектора, что просто отражает обновление субъективных знаний наблюдателя о системе, которые в этом векторе (волновой функции) и закодированы.

Домашнее задание адептам многомировой интерпретации: получите те же результаты из концепции Эверетта. Скажите когда именно делится мир в данном случае и на сколько ветвей.

«Парадокс» голубиного гнезда

Но израильские физики не сдаются и вот очередная статья в которой авторы (Ааронов at al.

) применяют описанный подход «измерение не всегда приводит к коллапсу» для вывода такого абсурдного утверждения, что:
В две голубиные дырки можно запихнуть три голубя, при этом ни в одной из дырок не окажется два голубя.

Вот, что происходит если пренебрегать постулатами квантовой механики! Несовместимость данного утверждения еврейских физиков с квантовой механикой показана множество раз. Рекомендую статью бывшего гарвардского профессора Любоша Мотля под названием «Три голубиные дырки в мозгах шести физиков».

  • физика
  • квантовая механика

Источник: https://habr.com/post/475140/

Квантовая физика ничего не объясняет, заявляют ученые — МК

Проблемы квантовой физики

Для описания процессов, происходящих в человеческом мозге нужна новая физика

Два десятилетия назад математик Роджер Пенроуз и анестезиолог Стюарт Хамерофф заложили основы теории работы человеческого мозга и сознания.

Один из ее элементов подразумевал существование квантовых состояний, которые обладают сопротивляемостью декогеренции во внутренней структуре нейронов. В недавней статье об их теории ученые утверждают, что им удалось найти весомые аргументы в пользу этой гипотезы.

Однако хотя оба они пользуются большим уважением в научных кругах, их предположения пока что воспринимают весьма скептически.

Почти четверть века назад великий математик и физик Роджер Пенроуз опубликовал книгу, которая стала результатом его размышлений о природе разума и сознания.

Кроме того, в этом произведении под названием «Тени разума: В поисках науки о сознании» (Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness) он говорил о ряде идей, которые предложил в 1980-х годах анестезиолог Стюарт Хамерофф.

В частности, там значилось утверждение о том, что теорема Геделя о неполноте противоречила выводам работ Алана Тьюринга об искусственном интеллекте: речь идет о том, что расчеты на достаточно сложной машине могут привести к появлению осознанного человеческого разума.

По мнению Пенроуза, полученные Геделем результаты подразумевали, что разум и сознание человека невозможно свести к расчетам.

Таким образом, он присоединился к лагерю тех, кто считает, что «трудную проблему сознания», по выражению австралийского философа Дэвида Чалмерса, нельзя решить путем сведения сознания к исполнению определенных алгоритмов.

Другими словами, хотя мы и можем связать математическую структуру с восприятием звука или цвета, оно не может сводиться к этой самой структуре и расчету, точно так же, как симуляция звезды, циклона или электромагнитной волны на компьютере не создает эти объекты в реальной действительности. Кроме того, как и другие ученые до него (Эйнштейн, Шредингер и Белл), Пенроуз тем самым выразил свою неудовлетворенность текущим состоянием квантовой физики.

В квантовой механике амплитуда вероятности физической системы (иначе она еще называется вектором волновой функции) меняется четко определенным образом, так как управляется всего одним законом: уравнением Шредингера.

Тем не менее, когда нам нужно измерить некую физическую величину системы, например, расположение электрона или его спин, в действие вступает и второй закон, в результате чего волновая функция меняется резким и неопределенным образом.

Все это немного напоминает то, как если бы попытка установить наличие определенной ноты в музыкальном отрывке в виде расходящихся вокруг фортепиано сферических звуковых волн приводила бы к исчезновению всех остальных нот, кроме одной, которая выбиралась по закону вероятности.

Нужно было бы несколько книг для того, чтобы рассмотреть все проблемы, которые были подняты, как говорят физики, «редукцией волнового пакета»: она тесно связана с введением амплитуд вероятности и просто законов вероятности в квантовой физике.

В частности, она привела к возникновению парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена и парадоксу кота Шредингера.

Как подробно расписывает ситуацию в книге Пенроуз, он признает обоснованность теории декогеренции по поводу парадокса кота Шредингера, он полагает (и в этом он не одинок), что проблема пока что полностью не решена.

По его убежденности, нам нужна некая новая физика (как следствие квантовой теории гравитации, которой стандартная квантовая механика должна давать лишь приблизительные значения), если мы на самом деле хотим решить все загадки и преодолеть все сложности, которые ставят перед нами некоторые аспекты квантовой теории. Кроме того, эта новая физика должна содержать в себе математические элементы, которые нельзя будет свести к алгоритмам, как следует из восприятия Пенроузом теоремы Геделя. Наконец, она смогла бы пролить свет на трудную проблему сознания.

По итогам рассуждений, которые он представил в несколько сокращенной версии в книге «Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики» (The Emperor`s New Mind.

Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics), Пенроуз обратился к Стюарту Хамероффу. Тот рассуждал об этих попытках как биолог и анестезиолог: тем самым он пытался понять работу мозга и физические основы сознания.

Объединив усилия, ученые предложили следующую теорию.

Исследователи взяли за основу утверждение о том, что большая часть работы нашего мозга прекрасно объясняется с помощью законов классической физики, в частности, на уровне коннектома, то есть нейронных связей. Тем не менее на уровне связей синапсов появляется нечто новое.

Эти связи ощущают на себе серьезное воздействие структур, которые обнаруживаются в цитоскелете нейронов: речь идет о микротрубочках. Они представляют собой нечто вроде волокон, которые состоят из димеров тубулина (эти протеины обладают дипольным моментом).

По мнению Пенроуза и Хамероффа, эти обладающие поляризационными свойствами белки превращают микротрубочки в нечто вроде клеточных автоматов, которые способны накапливать кубиты и осуществлять расчеты помимо тех, что обычно приписываются нейронной сети.

Если это действительно так, то возможности человеческого мозга по обработке информации значительно выше, чем принято считать сегодня. Кроме того, это еще больше отдаляет перспективу создания достаточно мощного компьютера, которому было бы под силу правильно симулировать его работу.

Помимо того, (этот момент навлекает на себя главную критику в научном сообществе) Пенроуз и Хамерофф заявили, что микротрубочки могут представлять собой эффективные квантовые компьютеры, хотя теория декогеренции утверждает, что это невозможно.

Клетки мозга и микротрубочки обладают слишком высокой температурой и слишком сильно подвержены воздействию окружающих шумов, что дает недостаточно времени для проведения долгих квантовых расчетов.

Другими словами, даже если мы опускаемся до уровня тибулинов, объекты, с которыми нам приходится иметь дело, все равно слишком горячи и велики для проявления квантовых свойств.

Пенроуз и Хамерофф ответили, что здесь мы не можем быть в чем-то уверенными.

Нам известно, что на макроскопическом уровне объектам может быть свойственно квантовое поведение, которое проявляется в таких свойствах, как сверхпроводимость и сверхтекучесть (пока что речь действительно идет лишь о крайне низких температурах, однако в перспективе ученые надеются создать сверхпроводники, которые могли бы работать и при обычных условиях). Кроме того, мы знаем, что эффект Эйнштейна — Подольского — Розена на самом деле работает, несмотря на расстояние в несколько метров между квантовыми системами. Признаки квантовой когеренции свойственны также биологическим системам и наблюдаются в них при низкой температуре уже несколько лет. В частности, это касается фотосинтеза. Не исключено, что эволюции удалось обойти препятствие квантовой декогеренции.

В теории Пенроуза и Хамероффа существует и одна еще более спорная гипотеза.

Если квантовые расчеты действительно осуществляются в микротрубочках, они находятся под воздействием квантовой гравитации, а та в свою очередь задействует процессы, которые не согласуются с расчетом Пенроуза за пределами традиционной квантовой механики. В частности, это происходит на уровне редукции волнового пакета при замерах данных с так называемой объективной редукцией.

По мысли Пенроуза, имеющаяся в нашем распоряжении в данный момент квантовая физика может стать всего лишь частичным (пусть и весьма эффективным на практике) решением проблем квантования энергии и корпускулярно-волнового дуализма.

Таким образом, на более глубоком уровне действительности существует еще неизвестная нам физика сознания (она включает в себя и классическую квантовую теорию): в данный момент мы видим лишь ее тень в коннектоме и микротрубочках.

Как существование пространственно-временных категорий становится по-настоящему ощутимым, когда мы приближаемся к скорости света и интенсивным гравитационным полям, так и физика разума раскрывает себя лишь при рассмотрении очень сложных объектов.

Тут мы подходим к самым вершинам научных спекуляций, где риск потеряться среди метафизических и ненаучных соображений особенно велик. Кроме того, как все мы знаем, некоторые известные ученые вроде Джона Хагелина и лауреата Нобелевской премии Брайана Джозефсона теперь оперируют одной лишь псевдонаукой, когда пытаются подойти к рассмотрению проблемы физических основ сознания.

Идеи Пенроуза и Хамероффа сегодня воспринимаются в научном сообществе весьма критически, однако оно не считает, что эти специалисты пересекли запретную красную линию.

Скорее, складывается впечатление, что их предложения находятся на одном уровне с размышлениями Шредингера в его знаменитой книге «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» (What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell) 1944 года: высказанные им теории помогли пионерам молекулярной биологии продвинуться к открытию ДНК.

Источник: https://www.mk.ru/978654

Booksm
Добавить комментарий