Квантовая физика о законах жизни. Квантовая физика и реальность. Что такое спин и суперпозиция

Гениальный физик двадцатого века Ричард Фейнман как-то сказал, что квантовую физику вообще никто не понимает. И действительно, кажущиеся противоречащими основам здравого смысла явления корпускулярно-волнового дуализма, квантовой интерференции, переплетенности и нелокальности вот уже на протяжении века обескураживают физиков. Андрей Кананин философ и космолог, задался целью подтвердить при помощи теории квантовой физики и других последних открытий, основные положения Священного Писания. Беседу с ним вел обозреватель радиостанции «Радонеж» Александр Артамонов.

Квантовая физика подтверждает Божественное Бытие

Андрей, расскажите, пожалуйста, о том, что такое квантовая физика? Противоречит ли современная наука Библейскому взгляду на мир? Также нам немаловажно узнать о взгляде современной науки космологии на образование Вселенной.

Мы попытаемся поговорить с Вами о самых последних научных достижениях и, в то же время, как это ни странно, эти идеи подтверждают духовное Начало нашего мира.

Сегодняшнее научное понимание происхождения космоса, динамики его развития позволяют утверждать, что многие человеческие нравственные проблемы напрямую связаны с вопросом происхождения Вселенной и с процессами, которые в ней происходят. Космос кажется многим очень опасным местом, внушающим неподготовленному человеку страх или сомнение - многие думают о бесконечности холодного пространства, о ничтожности человека в этом мире. На самом деле, выясняется, что это не так! Дело в том, что все передовые специалисты - передовые физики, космологи, астрофизики - уверены в том, что наше мироздание не состоит из отдельных частей, но представляет собой единую глобальную сложную нераздельную Систему все части которой теснейшим образом связаны между собой. В течение прошлого двадцатого и ныне текущего двадцать первого века новейшие научные достижения подтверждают эти выводы.

Суть в том, что выяснилось, что теории Ньютона, Эйнштейна, Дарвина - причем неважно правильно ли или нет мы их интерпретируем - устарели. Это выяснилось именно на стыке веков, когда стало окончательно понятно, что наш мир квантовый.

- Получается, то, чему нас учат в школе, неправда?

Я бы не стал жестко говорить, что законы Ньютона неправильные. Просто более глубокое понимание мира позволяет их расширить. Разумеется, закон Ньютона правилен в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Это закон гравитации. Но с другой стороны, последнее прочтение закона гравитационного взаимодействия показывает, что речь идет не о хаотичном вращении, а о том, что это - глубоко упорядоченный процесс.

Как нам понять доказательство существования Творца при помощи квантовой физики, если, по Вашим же словам, ее на сегодня понимают толком на планете 5-8 людей?

Да, законы квантовой физики сложны. Но любая научная дисциплина основана на определенных формулах, так что если мы говорим о математическом аппарате астрофизики, то да - действительно, он очень и очень сложен. На самом же деле квантовая физика основывается на трех базисных идеях.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что те же законы Ньютона описывают мир в макроскопических масштабах - звезды, планеты... А вот квантовая физика описывает мир на микроскопическом уровне. То есть квант - это, в принципе, элементарная частица. Первые квантовые опыты были поставлены еще в 1801-ом году! То есть наука давно пытается подобраться к загадкам квантовых чудес. И именно в последние годы какие-то научные достижения уже позволяют давать чисто научную оценку тех экспериментов, некоторым из которых уже 200 лет!

Говоря об основных постулатах квантовой физики, первое, о чем надо сказать: когда сегодня при помощи современных коллайдеров, микроскопов, всей аппаратуры стали исследовать кванты, то выяснилось, что, двигаясь в пространстве, они грубо нарушают общепринятые законы физики. То есть, грубо говоря, творятся чудеса! То есть выяснилось, что чудеса научно возможны! Кванты нарушают скорость света, перемещаются по разным траекториям, возникают ниоткуда, пропадают в никуда... То есть нарушают общепринятые ортодоксальные взгляды на классический мир.

Итак: 3 кита квантовой физики. Первый постулат. Выяснилось, что миром правит не определенность, а вероятность. То есть аномалии движения частиц не невозможны, но маловероятны. В нашем мире маловероятное, как правило, не случается. В квантовом мире это возможно. Более того, само зарождение Вселенной следует признать уникальным и необычным событием. Возможно, сам момент Большого Взрыва был чудесным квантовым переходом состояния вещества из одного в другое. Опять-таки, обращаясь к Библейским текстам, посмотрите о том, о чем пишется во Втором Послании Апостола Петра: «У Господа один день, как тысяча лет». То есть Бог существует вне времени и не ограничен им. Во вневременном пространстве эти чрезвычайные события обретают реальность. Получается, по Божьей Воле.

Второй завораживающий квантовый эффект - это взаимосвязь частиц. Изменение одной квантовой системы оказывает немедленное воздействие на другую. И это распространяется не на отдельный кабинет или квартиру, а на весь Космос в целом. То есть если где-то изменить квантовое состояние системы, то моментально в любой части Космоса может быть эффект связанности. Таким образом, квантовая физика доказала, что все в нашем мире взаимосвязано.

И, наконец, третий, последний момент. Ученые установили, что наш мир не может существовать без разумного наблюдателя, то есть без человека. Ведь сама квантовая физика не работает до тех пор, пока не существует наблюдатель. То есть частица - то, что мы называем квантом - не занимает никакого определенного положения в материальном мире до тех пор, пока на нее кто-то не посмотрит. Это уникальное квантовое свойство, так называемое свойство наблюдателя. То есть до тех пор, пока квантовую частицу кто-то не пронаблюдает, невозможно сказать, где она находится и с какой скоростью она движется.

То есть квант может находиться одновременно в двух точках пространства и только когда взгляд наблюдателя падает на него, то можно зафиксировать, где он в настоящее время находится.

Да! Совершенно верно! Выяснилось, что реальность становится таковой только тогда, когда кто-то ее одухотворяет. Конечно же, мы не можем «посмотреть» на квант без соответствующей аппаратуры нашим взглядом. Но своим духовным присутствием в мире, как разумные наблюдатели, мы привносим нечто в этот мир, без чего он невозможен. В определенном смысле мы его «оживляем».

Логично предположить, что, если в нашем мире есть некая Сущность, которая оказывает влияние на его, мира, реализацию, то физики могут назвать такую сущность Сверхнаблюдателем. Люди же, далекие от квантовой физики, назовут его просто - Богом или Творцом, в зависимости от своей точки зрения.

Самое интересное заключается в том, видите ли, что христианство подтверждает сказанное мной Священным Писанием. В первой части Бытия есть очень интересная цитата: «И сказал Бог: «Сотворим человека по образу нашему и подобию нашему! И да владычествует он над рыбами морскими, над птицами небесными, над зверями, над всей землею!» То бишь, грубо говоря, получается, что Бог создавал этот мир для человека - зрителя этого мира. И об этом прямо говорится в библейских текстах.

Можно ли сделать вывод, что квантовая физика подтверждает целесообразность и одухотворенности космоса. Ведь квант и частица, и волна. Он переходит от нематериального к материальному.

Совершенно верно! Происходит переход от небытия к бытию. Главный вывод квантовой физики заключается в следующем. Миром правит вероятность. Второе: все в мире взаимосвязано. Третье: наш мир невозможен без разумного наблюдателя.

Эти постулаты подтверждают, что в нашем мире постоянно существует альтернатива. То, как мы смотрим, как мы представляем себе переход небытия в бытие - это и есть альтернатива. А что такое альтернатива? Это свобода выбора.

Разумеется, во Вселенной работают строгие научные законы. Но эти законы обусловливают лишь вероятность того или иного развития событий. А какое будущее наступит в действительности, это уже зависит от того, как свобода воли и выбора будет реализована конкретным разумным существом.

Что противоречит теории детерминизма. Такие взгляды присущи массово протестантам. Согласно этой теории, судьбы мира предопределены, и только мы, векторно ползущие по неизмеримо малой части гигантского круга, воспринимаем свое движение, как прямолинейное. То есть только мы ничего не понимаем, а на самом деле, все строго детерминировано. Мы считаем, что есть свобода воли, а на самом деле, мы просто не в курсе. Вы же, ссылаясь на квантовую физику, говорите, что существует несколько вариантов развития событий, и мы свободой воли все-таки обладаем...

Да, Вы правы! Именно с этого мы начали с Вами наш разговор о том, что, к сожалению, даже более или менее правильные концепции могут опираться на устаревшие взгляды. Детерминизм, о котором Вы упомянули, соответствует научному взгляду на мир пятьдесят лет назад. Но именно квантовая физика доказала, что это неверный постулат. Квантовая физика четко показывает, что в нашем мире существует альтернатива. Мало того: квантовая физика показывает, что эта альтернатива невозможна без разумных существ. А если разумные существа влияют на наш мир и обладают свободой воли, то получается, что протекающий здесь процесс не предопределенный, но вероятный! То есть от человеческой воли и понимания, что такое добро и что такое зло, проистекает некое влияние на мир.

То есть получается, что без наличия Разума - не человека, а именно Божественного Логоса - Вселенная просто не могла бы существовать?

Да. И главный смысл в том, что Вселенная - это не равнодушный зловещий механизм, в котором нет места творческому началу, а эволюция мироздания лишена какой-либо цели и смысла. Кстати, бессмысленное существование - это одна из форм Зла, если обращаться к библейским текстам.

Я же говорю несколько о другом. Понимаете, полезные свойства металла человек может обратить во вред, ударив - не дай Бог! - ножом другого человека! Теоретически можно допустить, что некая Сущность, некий Творец мог бы постоянно вмешиваться в эти процессы, превращая те же ножи в... плюшевые игрушки... Но разве такой мир интересен? Это мир автоматов, в котором нет места любви, чувствам, а главное, выбору! А уж какой выбор сделает человек - в пользу Добра или Зла - это уже его нравственный императив. Теперь Вы понимаете, насколько тесна взаимосвязь между вот этими нашими выборами и теми событиями, которые происходят, как на микроуровне во Вселенной, так и в макроплоскости.

О квантовой физике, мозге, теореме Геделя и судах присяжных. Алексей Редозубов (2015)

Третья часть из трех лекций о принципах работы мозга. Лекции прочитаны в клубе Ключ (Петербург). Это выступление было записано 9 января 2015 г. в рамках проекта «Курилка Гутенберга». Формат был невероятно сжатый (30 минут), получилась скороговорка, но зато не скучно. Ну и куда же без оговорок, например, упорно называл Хокинга Хокинсом

Квантовая механика и философия

Выступление д.ф.н., проф. Севальникова А.Ю. (Институт философии РАН) в рамках открытого междисциплинарного семинара МГУ имени М.В.Ломоносова «На стыке наук и идей».

Тайны мироздания: Серия 1 - Искривление времени

• Перевод

По словам Оуэна Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но словами ничего не докажешь. «Если мы рассказываем общественности, что квантовая теория очень странная, нам необходимо проверить это утверждение экспериментально,- говорит Маруни. – А иначе мы не наукой занимаемся, а рассказываем про всякие закорючки на доске».

Именно это навело Маруни сотоварищи на мысль разработать новую серию экспериментов для раскрытия сути волновой функции – загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге, волновая функция – просто математический объект, обозначаемый буквой пси (Ψ) (одна из тех самых закорючек), и используется для описания квантового поведения частиц. В зависимости от эксперимента, волновая функция позволяет учёным вычислять вероятность наблюдения электрона в каком-то конкретном месте, или шансы того, что его спин ориентирован вверх или вниз. Но математика не говорит о том, что на самом деле такое волновая функция. Это нечто физическое? Или просто вычислительный инструмент, позволяющий работать с невежественностью наблюдателя касательно реального мира?

Использованные для ответа на вопрос тесты очень тонкие, и им всё ещё предстоит выдать однозначный ответ. Но исследователи оптимистичны в том, что развязка близка. И им, наконец, удастся ответить на вопросы, мучавшие всех десятки лет. Может ли частица реально быть во многих местах одновременно? Делится ли Вселенная постоянно на параллельные миры, в каждом из которых существует наша альтернативная версия? Существует ли вообще нечто под названием «объективная реальность»?

«Такие вопросы рано или поздно появляются у любого»,- говорит Алессандро Федриччи, физик из Квинслендского университета (Австралия). «Что на самом деле реально?»

Споры о существе реальности начались ещё тогда, когда физики выяснили, что волна и частица – лишь две стороны одной медали. Классический пример – эксперимент с двумя щелями, где отдельные электроны выстреливаются в барьер, имеющий две щели: электрон ведёт себя так, будто проходит через две щели одновременно, создавая полосатый рисунок интерференции с другой её стороны. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал волновую функцию для описания этого поведения и вывел уравнение, позволявшее вычислять её для любой ситуации. Но ни он, ни кто либо ещё, не мог ничего рассказать о природе этой функции.

Благодать в невежестве

С практической точки зрения её природа не важна. Копенгагенская интерпретация квантовой теории, созданная в 1920-х годах Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, использует волновую функцию просто как инструмент для предсказания результатов наблюдений, позволяя не думать о том, что происходит при этом в реальности. «Нельзя винить физиков в такой модели поведения, „заткнись и считай“, поскольку она привела к значительным прорывам в ядерной и атомной физике, физике твёрдого тела и физике элементарных частиц»,- говорит Джин Брикмонт, специалист по статистической физике Католического университета в Бельгии. «Поэтому люди советуют не волноваться относительно фундаментальных вопросов».

Но некоторые всё равно волнуются. К 1930-м годам Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию, не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам спутывать свои волновые функции, что приводило к ситуации, в которой измерения одной из них могли мгновенно дать состояние другой, даже если они при этом разделены огромными расстояниями. Чтобы не смиряться с этим «пугающим взаимодействием на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц были неполны. Он говорил, что возможно, у частиц есть некие скрытые переменные, определяющие результат измерения, которые не были замечены квантовой теорией.

Эксперименты с тех пор продемонстрировали работоспособность пугающего взаимодействия на расстоянии, что отвергает концепцию скрытых переменных. но это не остановило остальных физиков интерпретировать их по-своему. Эти интерпретации делятся на два лагеря. Одни соглашаются с Эйнштейном в том, что волновая функция отражает наше невежество. Это то, что философы зовут пси-эпистемическими моделями. А другие рассматривают волновую функцию как реальную вещь – пси-онтические модели.

Чтобы понять разницу, представим себе мысленный эксперимент Шрёдингера, описанный им в 1935 году в письме Эйнштейну. Кот находится в стальной коробке. Коробка содержит образец радиоактивного материала, у которого есть 50% шанс испустить продукт распада за один час, и аппарат, отравляющий кота в случае, если этот продукт будет обнаружен. Поскольку радиоактивный распад – событие квантового уровня, пишет Шрёдингер, правила квантовой теории говорят, что в конце часа волновая функция внутренностей коробки должна быть смесью из мёртвого и живого кота.

«Грубо говоря,- мягко выражается Федриччи,- в пси-эпистемической модели кот в коробке либо жив, либо мёртв, и мы просто не знаем этого из-за того, что коробка закрыта». А в большинстве пси-онтических моделей существует согласие с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку, кот одновременно будет и жив и мёртв.

Но тут спор заходит в тупик. Какая из интерпретаций истинна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, поскольку разница между моделями очень тонка. Они по сути должны предсказать то же квантовое явление, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Квинслендского университета, говорит, что за его 20-летнюю карьеру в квантовых технологиях «эта задача была как огромная гладкая гора без уступов, к которой нельзя было подступиться».

Всё поменялось в 2011 году, с опубликованием теоремы о квантовых измерениях, которая вроде бы устранила подход «волновая функция как невежество». Но по ближайшему рассмотрению оказалось, что эта теорема оставляет достаточно место для их манёвра. Тем не менее, она вдохновила физиков серьёзно задуматься о способах решения спора путём тестирования реальности волновой функции. Маруни уже разработал эксперимент, который в принципе работоспособен, и он с коллегами вскоре нашёл способ заставить его работать на практике. Эксперимент был проведён в прошлом году Федриччи, Уайтом и другими.

Для понимания идеи теста представьте две колоды карт. В одной есть только красные, в другой – только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды»,- говорит Мартин Рингбауэр, физик из того же университета. Если это красный туз, «случается пересечение, и вы не сможете сказать этого определённо». Но если вы знаете, сколько карт в каждой колоде, можно подсчитать, как часто будет возникать такая двусмысленная ситуация.

Физика в опасности

Такая же двусмысленность случается и в квантовых системах. Не всегда можно одним измерением узнать, например, как поляризован фотон. «В реально жизни просто отличить запад от направления чуть южнее запада, но в квантовых системах это не так просто»,- говорит Уайт. Согласно стандартной копенгагенской интерпретации, нет смысла спрашивать о поляризации, поскольку у вопроса нет ответа – пока ещё одно измерение не определит ответ в точности. Но согласно модели «волновая функция как невежество», вопрос имеет смысл – просто в эксперименте, как и в том, с колодами карт, не хватает информации. Как и с картами, возможно предсказать, сколько двусмысленных ситуаций можно объяснить таким невежеством, и сравнить с большим количеством двусмысленных ситуаций, разрешённых стандартной теорией.

Именно это и проверяли Федриччи с командой. Группа измеряла поляризацию и другие свойства в луче фотонов, и находила уровень пересечений, который нельзя объяснить моделями «невежества». Результат поддерживает альтернативную теорию – если объективная реальность существует, то существует и волновая функция. «Впечатляет, что команда смогла решить такую сложную задачу таким простым экспериментом»,- говорит Андреа Альберти, физик из Университета Бонна (Германия).

Вывод ещё не высечен в граните: поскольку детекторы улавливали лишь пятую часть использованных в тесте фотонов, приходится предполагать, что утерянные фотоны вели себя точно так же. Это сильное предположение, и сейчас группа работает над тем, чтобы уменьшить потери и выдать более определённый результат. В это время команда МАруни в Оксфорде работает с Университетом Нового Южного Уэльса (Австралия), чтобы повторить такой опыт с ионами, которых проще отслеживать. «В ближайшие шесть месяцев у нас будет неоспоримая версия этого эксперимента»,- говорит Маруни.

Но даже если их ждёт успех и победят модели «волновая функция как реальность», то и у этих моделей есть разные варианты. Экспериментаторам придётся выбирать один из них.

Одна из самых ранних интерпретаций была сделана в 1920-х годах французом Луи де Бройлем, и расширена в 1950-х американцем Дэвидом Бомом. Согласно моделям Бройля-Бома, у частиц есть определённое местоположение и свойства, но их ведёт некая «пилотная волна», которая и определяется как волновая функция. Это объясняет эксперимент с двумя щелями, поскольку пилотная волна может пройти через обе щели и выдать картину интерференции, хотя сам электрон, влекомый ею, проходит только через одну щель из двух.

В 2005 году эта модель получила неожиданную поддержку. Физики Эммануэль Форт, сейчас работающий в Институте Лангевина в Париже, и Ив Кодье из Университета Париж Дидро задали студентам простую, по их мнению, задачку: поставить эксперимент, в котором капли масла, падающие на поднос, будут сливаться из-за вибраций подноса. К удивлению всех вокруг капель начали образовываться волны, когда поднос вибрировал с определённой частотой. «Капли начали передвигаться самостоятельно по своим собственным волнам»,- говорит Форт. «Это был дуальный объект – частица, влекомая волной».

С тех пор форт и Кодье показали, что такие волны могут провести свои частицы в эксперименте с двумя щелями точно как предсказывает теория пилотной волны, и могут воспроизводить другие квантовые эффекты. Но это не доказывает существование пилотных волн в квантовом мире. «Нам говорили, что такие эффекты в классической физике невозможны,- говорит Форт. – И тут мы показали, что возможны».

Ещё один набор моделей, основанных на реальности, разработанный в 1980-х, пытается объяснить сильную разницу свойств у больших и малых объектов. «Почему электроны и атомы могут быть в двух местах одновременно, а столы, стулья, люди и коты – не могут»,-говорит Анджело Баси, физик Триестского университета (Италия). Известные как «коллапсные модели», эти теории говорят, что волновые функции отдельных частиц реальны, но могут терять свои квантовые свойства и приводить частицу в определённое положение в пространстве. Модели построены так, что шансы такого коллапса чрезвычайно малы для отдельной частицы, так что на атомном уровне доминируют квантовые эффекты. Но вероятность коллапса быстро растёт при объединении частиц, и макроскопические объекты полностью теряют свои квантовые свойства и ведут себя согласно законам классической физики.

Один из способов это проверить – искать квантовые эффекты у больших объектов. Если верна стандартная квантовая теория, то ограничений на размер нет. И физики уже провели эксперимент с двумя щелями при помощи больших молекул. Но если верны модели коллапса, то квантовые эффекты не будут видны при превышении определённой массы. Разные группы планируют искать эту массу, используя холодные атомы, молекулы, металлические кластеры и наночастицы. Они надеются обнаружить результаты в ближайшие десять лет. «Что классно с этими экспериментами, так это то, что мы будем подвергать квантовую теорию точным тестам там, где её ещё не проверяли»,- говорит Маруни.

Параллельные миры

Одна модель «волновая функция как реальность» уже известна и любима писателями-фантастами. Это многомировая интерпретация, выработанная в 1950-х Хью Эвереттом, который в то время был студентом Принстонского университета в Нью-Джерси. В этой модели волновая функция так сильно определяет развитие реальности, что при каждом квантовом измерении Вселенная расщепляется на параллельные миры. Иными словами, открывая коробку с котом, мы порождаем две Вселенные – одна с мёртвым котом, а другая – с живым.

Сложно разделить эту интерпретацию и стандартную квантовую теорию, поскольку их предсказания совпадают. Но в прошлом году Говард Вайзман из Гриффитского университета в Брисбейне с коллегами предложил модель мультивёрса, которую можно проверить. В их модели нет волновой функции – частицы подчиняются классической физике, законам Ньютона. А странные эффекты квантового мира появляются потому, что между частицами и их клонами в параллельных вселенных есть отталкивающие силы. «Отталкивающая сила между ними порождает волны, распространяющиеся по всем параллельным мирам»,- говорит Вайзман.

Используя компьютерную симуляцию, в которой взаимодействовали 41 вселенная, они показали, что модель грубо воспроизводит несколько квантовых эффектов, включая траектории частиц в эксперименте с двумя щелями. При увеличении количества миров рисунок интерференции стремится к реальному. Поскольку предсказания теории разнятся в зависимости от количества миров, говорит Вайзман, можно проверить, права ли модель мультивёрса – то есть, что никакой волновой функции нет, а реальность работает по классическим законам.

Поскольку в этой модели волновая функция не нужна, она останется жизнеспособной, даже если будущие эксперименты исключат модели с «невежеством». Кроме неё выживут другие модели, например, копенгагенская интерпретация, которые утверждают, что нет объективной реальности, а есть лишь вычисления.

Но тогда, как говорит Уайт, этот вопрос и станет объектом изучения. И хотя пока никто не знает, как это сделать, «что было бы реально интересным, так это разработать тест, проверяющий, есть ли у нас вообще объективная реальность».

Аюдеик Флек, польский эпистемолог и микробиолог, вдохновлявший Томаса Куна на введение понятия «парадигмы» заметил, что, когда начинающие студенты впервые изучают препараты под микроскопом, вначале у них ничего не получается. Они просто не видят то, что лежит на предметном стеклышке.

С другой стороны, нередко они видят то, чего там нет. Как такое возможно? Ответ прост: дело в том, что восприятие — особенно его сложные формы — требует тренировки и развития. Спустя некоторое время все студенты видят то, что лежит на предметном стекле.

Квантовая физика

Полагаю, я не ошибусь,
если скажу, что квантовую механику
не понимает никто.

— Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года за развитие квантовой электродинамики.

Тот, кто не был потрясён
при первом знакомстве с квантовой теорией,
очевидно, просто ничего не понял.
— Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года за работы по исследованию структуры атома.

С одной стороны, эта теория полна парадоксов, загадок и путаницы в понятиях. С другой стороны, у нас нет возможности отбросить её или пренебречь ею, поскольку она на практике зарекомендовала себя как самый надёжный инструмент для предсказания поведения физических систем.

— Дэвид Алберт, доктор философии

Если лауреаты Нобелевской премии по физике не понимают квантовую теорию, на что можем надеяться мы? Что делать, если реальность стучится в ваши двери и рассказывает нечто совершенно непонятное, ошеломляющее, озадачивающее? Как вы реагируете, как живёте дальше, какие варианты перед собой видите — всё это говорит о вас очень многое, но это мы обсудим в следующей главе. А сейчас давайте побеседуем об электронах, фотонах, кварках, а также о том, как столь крошечный предмет (если это вообще предмет) может быть так непостижим, и в то же время способен рвать на часто наш отлично организованный и такой понятный мир.

На границе известного и неизвестного

Классическая физика Ньютона основана на наблюдении плотных объектов, которые знакомы нам из повседневного опыта — от падающих яблок до движущихся по орбитам планет. На протяжении столетий её законы были многократно проверены, подтверждены и расширены. Они вполне понятны н позволяют хорошо предсказывать поведение физических объектов, и свидетельство тому — достижения промышленной революции. Но в конце XIX столетия, когда физики начали разрабатывать инструменты для исследования мельчайших составляющих материи, они были сбиты с толку: физика Ньютона перестала действовать! Она не могла ни объяснить, ни предсказать получаемые ими результаты экспериментов.

За следующую сотню лет развилось совершенно новое описание мира мельчайших частиц. Известное как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория, это новое знание не вытесняет ньютонову физику, которая по-прежнему отлично описывает большие, макроскопические объекты. Однако, новая наука отважно идёт туда, куда физике Ньютона путь заказан: в субатомный мир.

«Наша Вселенная — очень странная, — говорит доктор Стюарт Хамерофф — Судя по всему, существует два свода законов, управляющих ею. Наш повседневный, «классический» мир, — мир привычных нам пространственных и временных масштабов — описывается ньютоновскими законами движения, сформулированными сотки лет назад. Однако, когда мы переходим к объектам атомного уровня, включается совершенно другой свод законов. Это квантовые законы».

Факты или фантастика?

Выводы квантовой теории потрясающи (ниже мы подробнее остановимся на пяти основных потрясениях) и напоминают научную фантастику: частица может находиться в двух или более местах одновременно! (Один из недавних экспериментов показал, что частица может находиться в трёх тысячах мест сразу!) Один и тот же объект может проявляться как частица, легализированная в одном месте, или как волна, распространяющаяся в пространстве и времени.

Эйнштейн утверждал, что ничто не может двигаться быстрее света, однако, квантовая физика показала, что субатомные частицы обмениваются информацией мгновенно , через любые расстояния в пространстве.

Классической физике свойствен детерминизм : если нам дан определённый набор исходных условий (таких, как координаты и скорость объекта), мы можем совершенно точно определить, куда он будет двигаться. Квантовая физика вероятностна : мы никогда точно не знаем, как поведёт себя конкретный объект.

Классическая физика механистична : она основана на предположении, что лишь через понимание отдельных частей возможно понимание целого. Новая физика холистична : она изображает Вселенную как единое целое, части которой взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, пожалуй, самое главное: квантовая физика стёрла чёткую картезианскую границу между субъектом и объектом, наблюдателем н наблюдаемым, которая доминировала в науке на протяжении 400 лет.

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Изолированных наблюдателей механической Вселенной не существует — всё и вся соучаствует во Вселенной. (Этот момент настолько важен, что мы посвятим ему отдельную главу).

Термин «квант» был впервые использован в науке немецким учёным Максом Планком в 1900 году. Это латинское слово означат «количество», однако, ныне его используют для обозначения наименьшего количестве материи или энергии.

Одно из самых глубоких философских различий между классической механикой
и механикой квантовой состоит в том, что классическая механика от самого основания и до верха построена на идее, которая, как нам теперь известно, представляет собой
не более, чем фантазию. Это идея о возможности пассивного наблюдения...А квантовая механика решительно опровергла эту идею.

— Дэвид Альберт, доктор философии

Потрясение №1 — пустое пространство

Давайте начнём с чего-то, знакомого большинству из нас. Одной из первых трещин в здании ньютоновой физики стало открытие, что атомы — предположительно твёрдые частицы, из которых построена Вселенная — состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если мы увеличим ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии тридцати километров, а между ними — ничего . Итак, глядя вокруг, помните, что реальность на самом деле представляет собой крохотные точечки материи, окружённые пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» вовсе не пуста: в ней содержится колоссальное количество тонкой, но исключительно мощной энергии. Мы знаем, что плотность энергии возрастает по мере перехода ко всё более тонким уровням реальности (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Ныне учёные утверждают, что один кубический сантиметр пустого пространства содержит в себе больше энергии, чем материя во всей известной Вселенной. Хотя учёные не могут замерить эту энергию напрямую, они видят результаты действия этого колоссального моря энергии. Заинтригованы? Поинтересуйтесь, что такое «силы Вандер Ваальса» и «эффект Казимира».

Вниз по кроличьей норе элементарных частиц
Когда Шрёдингер формулировал своё волновое уравнение, Гейзенберг решал ту же задачу при помощи передовой на то время «матричной математики». Однако, его выкладки оказались слишком непонятными, они никак не соотносились с повседневным опытом и с такими словами обычного языка, как «волна », поэтому «волновому» уравнению было отдано предпочтение перед «матричными трансформациями». Однако, всё это лишь аналогии.

Мир ведёт себя именно так, как я думал, когда был маленьким. Что можно сказать о маленьком мальчике с его мечтами и фантазиями? Что он находятся в плену иллюзий? Возможно. Однако, подозрительно, что в квантовой механике не меньше волшебства. Вопрос вот в чём: где проходит граница между фантастическим и зыбким квантовым миром и миром больших объектов, который кажется нам столь прочным? С подросткового возраста я задавался вопросом: если я состою из субатомных частиц, способных на самые фантастические штуки, может быть, и я способен на фантастические штуки?

— Марк

Потрясение № 2 — частица, волна или волночастица?

Мало того, что элементарные частицы разделены огромными «пространствами», — проникая всё глубже в атом, учёные обнаружили, что субатомные частицы (из которых атом состоит) не являются твёрдыми телами. Судя по всему, они обладают двойственной природой. В зависимости от того, как их наблюдать, они ведут себя либо как частицы, либо как волны. Частицы — это отдельные твёрдые объекты, имеющие определённое положение в пространстве. Волны же не являются твёрдыми объектами и не локализованы в пространстве, но распространяются в нём (например, звуковые волны, волны на воде).

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного положения в пространстве, но существует как «поле вероятностей». В качестве частицы поле вероятностей схлопывается (или «коллапсирует») в твёрдый объект, положение которого во времени и пространстве может быть определено.

Как это ни удивительно, но состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и не наблюдаемый электрон ведёт себя как волна. Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он «схлопывается» в частицу, чьё положение можно локализировать.

Как что-то может быть одновременно твёрдой частицей и мягкой текучей волной? Возможно, этот парадокс можно решить, вспомнив то, о чём мы говорили выше: элементарные частицы ведут себя как волны или как частицы. Но «волна» — это лишь аналогия. Как и «частица» — всего лишь аналогия из нашего привычного мира. Идея о волновых свойствах частиц развилась в квантовую теорию благодаря Эрвину Шрёдингеру, который в своём знаменитом «волновом уравнении» математически описал вероятности волновых свойств частицы ещё до их наблюдения.

Чтобы подчеркнуть, что они на самом деле не знают, с чем имеют дело, и никогда прежде не сталкивались с чем-либо подобным, некоторые физики решили называть это явление «волночастицей»

Пока субатомный объект находится в волновом состоянии, невозможно определить, каким он станет, когда подвергнется наблюдению и окажется локализованным в пространстве. Он существует в состоянии «множественных возможностей», которое называется суперпозицией. Это как если бы мы подбросили монету в тёмной комнате. С математической точки зрения, даже после тоге, как она упадёт на стол, мы не можем определить, легла ли она орлом или решкой. Но как только загорится свет, мы схлопываем («коллапсируем») суперпозицию, и монета становится либо «орлом», либо «решкой». Производя наблюдение волны, мы — как и при включении света в приведённом примере — схлопываем квантовую суперпозицию и частица оказывается в «классическом» состоянии, которое может быть измерено.

Потрясение № 3 — квантовые скачки и вероятность

При изучении атома учёные обнаружили, что, уходя со своей орбиты вокруг атомного ядра, электрон движется сквозь пространство не так, как обычные объекты, — он передвигается мгновенно . Иными словами, он исчезает из одного места, с одной орбиты, к появляется на другой орбите. Это явление назвали квантовым скачком.

Мало того, выяснилось, что невозможно точно определить, где возникнет электрон или когда он совершит скачок. Максимум, что можно сделать, — это обозначить вероятность нового местоположения электрона (волновое уравнение Шрёдингера). «Реальность, как мы её знаем, каждое мгновение создаётся заново из целого океана возможностей, — говорит доктор Сатиновер, — Но самое загадочное — что тот фактор, который определял бы, какая именно возможность из этого океана реализуется, не принадлежит физической Вселенной . Здесь нет процесса, который определяет это».

Часто это формулируют следующим образом: квантовые события — единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.

Потрясение № 4 — принцип неопределённости

В классической физике все атрибуты объекта, включая его положение и скорость, могут быть измерены с точностью, которая ограничена только технологическими возможностями экспериментатора. Но на квантовом уровне, измеряя один показатель, например скорость, ты не можешь одновременно получить точные значения других показателей — например, координаты. Если ты узнаёшь, где находится объект, то не сможешь узнать, как быстро он движется. Если же ты знаешь, как быстро он движется, то не знаешь, где находится. И сколь бы точным и современным ни было твоё оборудование, заглянуть за эту завесу не удаётся.

Принцип неопределённости сформулировал Вернер Гейзенберг, один из первопроходцев квантовой физики. Этот принцип гласит, что, как ни пытайся, невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредоточиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределённым становится другой.

Потрясение № 5 — нелокальность, ЭПР, теорема Белла и квантовый парадокс

Альберт Эйнштейн квантовую физику недолюбливал (мягко говоря). Вот одно из его высказываний по поводу вероятностной природы квантовых процессов: «Бог не играет в кости со Вселенной». На что Нильс Бор ответил: «А вы не указывайте Богу, что ему делать!»

Пытаясь опровергнуть квантовую механику, Эйнштейн, Подольский и Розен (ЭПР) в 1935 году предложили мысленный эксперимент, призванный показать, насколько нелепа новая теория. Они довольно остроумно обыграли одни из выводов квантовой механики, на который другие учёные не обратили внимания: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом, или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы Вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже мгновенно изменится, чтобы прийти в такое же состояние. Мгновенно!

Эта идея казалась настолько абсурдной, что Эйнштейн назвал такое явление «призрачным дальнодействием». Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А здесь скорость обмена информацией оказывается бесконечной! Более того, мысль о том, что один электрон может следить за судьбой другого, находящегося на другом конце Вселенной, просто противоречила общепринятым представлениям о реальности, основанным на здравом смысле.

Затем в 1964 году Джон Белл предложил теорему, из которой следует, что предположение ЭПР справедливо! Именно так всё происходит, и представление о том, что объекты локальны — то есть существуют только в одной точке пространства, — неверно. Всё на свете нелокально. Элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства.

За годы, прошедшие после публикации теоремы Белла, его идеи были не раз подтверждены в лаборатории. Попытайтесь хоть на миг охватить это умом. Время и пространство — наиболее фундаментальные черты мира, в котором мы живём, — каким-то образом вытеснены в квантовой теории представлениями о том, что все объекты всегда связаны друг с другом. Не случайно Эйнштейн полагал, что такой вывод приведёт к смерти квантовой механики. — он просто бессмыслен.

Тем не менее, очевидно, этот феномен принадлежит к числу действующих законов Вселенной. Собственно, Шрёдингер как-то говорил, что тесная взаимосвязь между объектами является не одним из интереснейших аспектов квантовой физики, но важнейшим аспектом. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым глубоким открытием в науке». Обратите внимание: он сказал в науке, в не в физике.

Занимающий меня вопрос — не почему квантовая физика столь интересна?», но «почему ТАК МНОГО ЛЮДЕЙ интересуются квантовой физикой?» Она подрывает самые основы наших представлений о мире. Она утверждает, что самые очевидные вещи, которые мы ЗНАЕМ наверняка, просто не верны. И, тем не менее, она заворожила миллионы людей, у которых даже «нет научной жилки».

Я едва не свела Марка и Уилла с ума, по тысяче раз за день спрашивая «Какого чёрта я вообще должна этим заниматься? Какое это имеет ко мне отношение? Почему меня должен интересовать этот идиотский мир квантов — разве мало идиотизма в моём собственном мире?» Я до сих пор не уверена, что понимаю всё это. Но доктор Фред Алан Вольф как-то мне сказал: «Если ты думаешь, что поняла всё, — значит, ты вообще не слышала, что тебе говорили!» Чему мы научились, исследуя всё это квантовое безумие, так это наслаждаться хаосом и принимать неведомое, ибо из него рождаются воистину великие переживания!

Каков звук схлопывания одного электрона?

Квантовая физика и мистицизм

Несложно увидеть точки соприкосновения между физикой и мистицизмом. Объекты разделены в пространстве, но при этом тесно связаны друг с другом (нелокально); электроны перемещаются из точки А в точку Б, но при этом не проходят между этими точками; материя представляет собой (с математической точки зрения) волновую функцию, которая схлопывается (то есть, обретает существование в пространстве) лишь тогда, когда её измеряют.

Мистики без труда принимают все эти идеи, большинство из которых намного старше, чем ускорители элементарных частиц. Многие из основателей квантовой механики серьёзно интересовались духовными вопросами. Нильс Бор использовал символ Инь-Ян в своём личном гербе; Дэвид Бом вёл длинные дискуссии с индийским мудрецом Кришнамурти; Эрвин Шрёдннгер читал лекции об Упанишадах.

Но служит ли квантовая физика доказательством мистического мировоззрения? Спросите об этом у физиков — и вы получите полный спектр ответов. Если задать этот вопрос на вечеринке физиков и начать жёстко отстаивать какую-то одну позицию, вполне вероятно (ведь вероятность играет важную роль в квантовой теории), что начнётся потасовка.

Если не считать махровых материалистов, большинство учёных сходятся во мнении, что мы пока находимся на стадии аналогий. Параллели слишком явственны, чтобы игнорировать их. И квантовая физика, и дзэн склонны к парадоксальному взгляду на мир. Как говорил уже упоминавшийся нами доктор Радин: «Однако предложен и другой взгляд на мир: на него указывает квантовая механика».

Вопросы о том, чем вызывается схлопывание волновой функции и действительно ли квантовые события случайны, не нашли ответа сих пор. Конечно, нам очень хочется создать по-настоящему единую концепцию реальности, которая непременно будет включать и нас самих, однако мы не можем не прислушаться к предостережению современного философа Кена Уилбера:

Работа этих учёных — Бома, Прибрама, Уилера и прочих — слишком важна, чтобы отягощать её необузданными рассуждениями мистиков. А мистицизм слишком глубок, чтобы привязывать его к тому или иному этапу научного теоретизирования. Пусть они оценят друг друга по достоинству, и пусть их диалог и обмен идеями никогда не закончится.

Таким образом, критикуя некоторые аспекты новой парадигмы, я стремлюсь не к тому, чтобы остудить интерес к её дальнейшему развитию. Я просто призываю к ясности и точности в изложении всех этих вопросов, которые, что ни говори, исключительно сложны.

За нами миллиарды генетических жизней, которые дали нам это совершенное генетическое тело и совершенный генетический мозг. Тысячи и тысячи лет потребовались для их эволюции до такого уровня, чтобы мы с вами могли вести эти беседы об абстрактном. Если нам дано воплотиться в величайших из когда-либо существовавших эволюционных механизмов — в наших телах, обладающих человеческим
мозгом, — значит, мы заслужили право задавать вопросы «что, если...»

— Рапа

Выводы

Выводы? Да вы шутите! Если у вас есть выводы, пожалуйста, поделитесь с нами. Но в любом случае, добро пожаловать в полный споров, загадок, задач и откровений мир абстрактной мысли. Наука, мистицизм, парадигмы, реальность — вы только посмотрите, как широка сфера человеческих исследований, открытий и дебатов!

Посмотрите, как человеческий ум исследует этот удивительный мир, где нам довелось жить.

В этом наше истинное величие.

Подумайте об этом...

— Вспомните пример из своей жизни, когда вы на опыте убедились в действии ньютоновой физики.

— Определяла ли до сих пор ньютонова физика вашу парадигму?

— Когда вы узнали о зыбком фантастическом квантовом мире, изменилась ли ваша парадигма? Если да, то как?

— Готовы ли вы выйти за пределы известного?

— Вспомните пример квантового эффекта в вашей жизни.

— Кто или что является там «наблюдателем», который определяет природу и расположение «частицы»?

Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.

"Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?"- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.

Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина "суперпозиции" в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно. И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.

"Вот это фантастика"- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.

Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.

Мультфильм про квантовую физику:

Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.

Видео о квантовой физике:

И как вы раньше об этом не знали.

Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.

Никто не понимает, что такое сознание и как оно работает. Никто не понимает и квантовую механику. Может ли это быть большим, чем просто совпадение? «Я не могу определить реальную проблему, поэтому подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет никакой реальной проблемы». Американский физик Ричард Фейнман сказал это о загадочных парадоксах квантовой механики. Сегодня эту теорию физики используют для описания мельчайших объектов во Вселенной. Но точно так же он мог сказать о запутанной проблеме сознания.

Некоторые ученые думают, что мы уже понимаем сознание или что это просто иллюзия. Но многим другим кажется, что мы вообще даже и близко не подобрались к сути сознания.

Многолетняя головоломка под названием «сознание» даже привела к тому, что некоторые ученые попытались объяснить ее при помощи квантовой физики. Но их усердие было встречено с изрядной долей скепсиса, и это не удивительно: кажется неразумным объяснять одну загадку при помощи другой.

Но такие идеи ни разу не абсурдны и даже не с потолка взялись.

С одной стороны, к великому неудовольствию физиков, разум поначалу отказывается постигать раннюю квантовую теорию. Более того, квантовые компьютеры, по прогнозам, будут способны на такие вещи, на какие не способны обычные компьютеры. Это напоминает нам, что наш мозг до сих пор способен на подвиги, недоступны для искусственного интеллекта. «Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическая ерунда, но никто так и не смог ее окончательно развеять.

Квантовая механика — лучшая теория, которая у нас есть, способная описать мир на уровне атомов и субатомных частиц. Пожалуй, самой известной из ее загадок является тот факт, что результат квантового эксперимента может меняться в зависимости от того, решаем мы измерить свойства участвующих в нем частиц или нет.

Когда первопроходцы квантовой теории впервые обнаружили этот «эффект наблюдателя», они встревожились не на шутку. Казалось, он подрывает предположение, лежащее в основе всей науки: что где-то там существует объективный мир, независимый от нас. Если мир действительно ведет себя зависимо от того, как — или если — мы смотрим на него, что будет означать «реальность» на самом деле?

Некоторые ученые были вынуждены заключить, что объективность — это иллюзия, и что сознание должно играть активную роль в квантовой теории. Другие же просто не видели в этом никакого здравого смысла. Например, Альберт Эйнштейн был раздосадован: неужели Луна существует, только когда вы на нее смотрите?

Сегодня некоторые физики подозревают, что дело не в том, что сознание влияет на квантовую механику… а в том, что оно вообще появилось, благодаря ей. Они полагают, что квантовая теория может понадобиться нам, чтобы вообще понять, как работает мозг. Может ли быть такое, что как квантовые объекты могут находиться в двух местах одновременно, так и квантовый мозг может одновременно иметь в виду две взаимоисключающие вещи?

Эти идеи вызывают споры. Может оказаться так, что квантовая физика никак не связана с работой сознания. Но они хотя бы демонстрируют, что странная квантовая теория заставляет нас думать о странных вещах.

Лучше всего квантовая механика пробивается в сознание человека через эксперимент с двойной щелью. Представьте себе луч света, который падает на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Часть света проходит через щели и падает на другой экран.

Можно представить свет в виде волны. Когда волны проходят через две щели, как в эксперименте, они сталкиваются — интерферируют — между собой. Если их пики совпадают, они усиливают друг друга, что выливается в серию черно-белых полос света на втором черном экране.

Этот эксперимент использовался, чтобы показать волновой характер света, больше 200 лет, пока не появилась квантовая теория. Тогда эксперимент с двойной щелью провели с квантовыми частицами — электронами. Это крошечные заряженные частицы, компоненты атома. Непонятным образом, но эти частицы могут вести себя как волны. То есть они подвергаются дифракции, когда поток частиц проходит через две щели, производя интерференционную картину.

Теперь предположим, что квантовые частицы проходят через щели одна за другой и их прибытие на экран тоже будет наблюдаться пошагово. Теперь нет ничего очевидного, что заставляло бы частицу интерферировать на ее пути. Но картина попадания частиц все равно будет демонстрировать интерференционные полосы.

Все указывает на то, что каждая частица одновременно проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. Это сочетание двух путей известно как состояние суперпозиции.

Но вот что странно.

Если разместить детектор в одной из щелей или за ней, мы могли бы выяснить, проходит через нее частицы или нет. Но в таком случае интерференция исчезает. Простой факт наблюдения пути частицы — даже если это наблюдение не должно мешать движению частицы — меняет результат.

Физик Паскуаль Йордан, который работал с квантовым гуру Нильсом Бором в Копенгагене в 1920-х годах, сформулировал это так: «Наблюдения не только нарушают то, что должно быть измерено, они это определяют… Мы принуждаем квантовую частицу выбирать определенное положение». Другими словами, Йордан говорит, что «мы сами производим результаты измерений».

Если это так, объективная реальность можно просто выбросить в окно.

Но на этом странности не заканчиваются.

Если природа меняет свое поведение в зависимости от того, смотрим мы или нет, мы могли бы попытаться обвести ее вокруг пальца. Для этого мы могли бы измерить, какой путь выбрала частица, проходя через двойную щель, но только после того, как пройдет через нее. К тому времени она уже должна «определиться», пройти через один путь или через оба.

Провести такой эксперимент в 1970-х годах предложил американский физик Джон Уилер, и в следующие десять лет эксперимент с «отложенным выбором» провели. Он использует умные методы измерения путей квантовых частиц (как правило, частиц света — фотонов) после того, как они выбирают один путь или суперпозицию двух.

Оказалось, что, как и предсказывал Бор, нет никакой разницы, задерживаем мы измерения или нет. До тех пор, пока мы измеряем путь фотона до его попадания и регистрацию в детекторе, интерференции нет. Создается впечатление, что природа «знает» не только когда мы подглядываем, но и когда мы планируем подглядывать.

Юджин Вигнер

Всякий раз, когда в этих экспериментах мы открываем путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов «сжимается» в единое четко определенное состояние. Более того, эксперимент с задержкой предполагает, что сам акт наблюдения, без какого-либо физического вмешательства, вызванного измерением, может стать причиной коллапса. Значит ли это, что истинный коллапс происходит только тогда, когда результат измерения достигает нашего сознания?

Такую возможность предложил в 1930-х годах венгерский физик Юджин Вигнер. «Из этого следует, что квантовое описание объектов находится под влиянием впечатлений, поступающих в мое сознание», писал он. «Солипсизм может быть логически согласованным с квантовой механикой».

Уилера даже забавляла мысль о том, что наличие живых существ, способных «наблюдать», преобразовала то, что ранее было множество возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, говорит Уилер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. По его словам, мы живем в «соучастной вселенной».

Физики до сих пор не могут выбрать лучшую интерпретацию этих квантовых экспериментов, и в некоторой степени право этого предоставляется и вам. Но, так или иначе, подтекст очевиден: сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.

Начиная с 1980-х годов, английский физик Роджер Пенроуз предположил, что эта связь может работать в другом направлении. Он сказал, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, возможно, квантовая механика участвует в сознании.

Физик и математик Роджер Пенроуз

И еще Пенроуз спросил: что, если в нашем мозге существуют молекулярные структуры, способные менять свое состояние в ответ на одно квантовое событие? Могут ли эти структуры принимать состояние суперпозиции, подобно частицам в эксперименте с двойной щелью? Могут ли эти квантовые суперпозиции затем проявляться в том, как нейроны сообщаются посредством электрических сигналов?

Может быть, говорил Пенроуз, наша способность поддерживать, казалось бы, несовместимые психические состояния не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект?

В конце концов, человеческий мозг, похоже, в состоянии обрабатывать когнитивные процессы, которые до сих пор по возможностям намного превосходят цифровые вычислительные машины. Возможно, мы даже способны выполнять вычислительные задачи, которые нельзя исполнить на обычные компьютерах, использующих классическую цифровую логику.

Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты присутствуют в человеческом сознании, в книге 1989 года ‘The Emperor’s New Mind’. Главной его идеей стала «оркестрованная объективная редукция». Объективная редукция, по мнению Пенроуза, означает, что коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, будто лопающийся пузырь.

Оркестрованная объективная редукция опирается на предположение Пенроуза о том, что гравитация, которая влияет на повседневные объекты, стулья или планеты, не демонстрирует квантовых эффектов. Пенроуз полагает, что квантовая суперпозиция становится невозможной для объектов больше атомов, потому что их гравитационное воздействие в таком случае привело бы к существованию двух несовместимых версий пространства-времени.

Дальше Пенроуз развивал эту идею с американским врачом Стюартом Хамероффом. В своей книге «Тени разума» (1994) он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми нитями — микротрубочками. Они имеются в большинстве наших клеток, в том числе и нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждали, что в процесс колебания микротрубочки могут принимать состояние квантовой суперпозиции.

Но нет ничего в поддержку того, что это вообще возможно.

Предполагали, что идею квантовых суперпозиций в микротрубочках поддержат эксперименты, предложенные в 2013 году, но на деле в этих исследованиях не упоминалось о квантовых эффектах. Кроме того, большинство исследователей считают, что идея оркестрованных объективных редукций была развенчана исследованием, опубликованным в 2000 году. Физик Макс Тегмарк рассчитал, что квантовые суперпозиции молекул, вовлеченных в нейронные сигналы, не смогут просуществовать даже мгновения времени, необходимого для передачи сигнала.

Квантовые эффекты, включая суперпозицию, очень хрупкие и разрушаются в процессе так называемой декогеренции. Это процесс обусловлен взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, поскольку его «квантовость» утекает.

Декогеренция, как полагали, должна протекать чрезвычайно быстро в теплых и влажных средах, таких как живые клетки.

Нервные сигналы — это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток. Если один из таких атомов был в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардной доли секунды. Чтобы нейрон выпустил сигнал, ему нужно в десять тысяч триллионов раз больше времени.

Именно поэтому идеи о квантовых эффектах в головном мозге не проходят проверку скептиков.

Но Пенроуз неумолимо настаивает на гипотезе ООР. И невзирая на предсказание сверхбыстрой декогеренции Тегмарка в клетках, другие ученые нашли проявления квантовых эффектов у живых существ. Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, которые используют магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахара в процессе фотосинтеза.

При всем этом идея того, что мозг может использовать квантовые трюки, отказывается уходить насовсем. Потому что в ее пользу нашли другой аргумент.

Может ли фосфор поддерживать квантовое состояние?

В исследовании 2015 года физик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более мощные квантовые суперпозиции. В частности, он полагает, что ядра атомов фосфора могут иметь такую способность. Атомы фосфора имеются в живых клетках повсюду. Они часто принимают форму ионов фосфата, в которых один атом фосфора соединяется с четырьмя атомами кислорода.

Такие ионы являются основной единицей энергии в клетках. Большая часть энергии клетки хранится в молекулах АТФ, которые содержат последовательность из трех фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов отрезается, высвобождается энергия, которая используется клеткой.

У клеток есть молекулярные машины для сборки ионов фосфата в группы и для их расщепления. Фишер предложил схему, в которой два фосфатных иона могут быть размещены в суперпозиции определенного вида: в запутанном состоянии.

У ядер фосфора есть квантовое свойство — спин — которое делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях. В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого. Иными словами, запутанные состояния — это состояния суперпозиции с участием более одной квантовой частицы.

Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов может противостоять декогеренции. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от их окружения и «декогерировать почти сразу же». Но спины ядер не так сильно взаимодействуют со своим окружением.

И все же квантовое поведение спинов ядер фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.

У квантовых частиц может быть разный спин

Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, которые названы «молекулами Познера». Они представляют собой кластеры из шести фосфатных ионов в сочетании с девятью ионами кальция. Существуют определенные указания на то, что такие молекулы могут быть в живых клетках, но пока они не очень убедительны.

В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут противостоять декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках. Следовательно, могут влиять и на работу мозга.

Идея в том, что молекулы Познера могут быть поглощены нейронами. Оказавшись внутри, молекулы будут активировать сигнал другому нейрону, распадаясь и выпуская ионы кальция. Из-за запутанности в молекулах Познера, два таких сигнала могут оказаться запутанными в свою очередь: в некотором роде, это будет квантовая суперпозиция «мысли». «Если квантовая обработка с ядерными спинами на самом деле присутствует в головном мозге, она была бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим постоянно», говорит Фишер.

Впервые эта идея пришла к нему в голову, когда он раздумывал о психической болезни.

Капсула карбоната лития

«Мое введение в биохимию мозга началось, когда я решил три-четыре года назад исследовать, как и почему ион лития оказывает такой радикальный эффект при лечении психических отклонений», говорит Фишер.

Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто на самом деле не знает почему.

«Я не искал квантовое объяснение, говорит Фишер. Но затем он наткнулся на работу, в которой описывалось, что препараты лития оказывали различное влияние на поведение крыс в зависимости от того, какая форма — или «изотоп» — лития использовалась.

Поначалу это озадачило ученых. С химической точки зрения, различные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому если литий работал как обычный препарат, изотопы должны были иметь один и тот же эффект.

Нервные клетки связаны с синапсами

Но Фишер понял, что ядра атомов различных изотопов лития могут иметь различные спины. Это квантовое свойство может влиять на то, как действуют препараты на основе лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут оказывать эффект на атомы фосфора и препятствовать их запутыванию.

Если это верно, то сможет и объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство.

На данный момент предположение Фишера является не более чем интригующей идеей. Но есть несколько способов ее проверить. Например, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять квантовую когерентность в течение длительного времени. Это Фишер и планирует проверить дальше.

И все же он опасается быть связанным с более ранними представлениями о «квантовом сознании», которые считает в лучшем случае спекулятивными.

Сознание — глубокая тайна

Физики не очень любят оказываться внутри своих же теорий. Многие из них надеются, что сознание и мозг можно будет извлечь из квантовой теории, а может, и наоборот. Но ведь мы не знаем, что такое сознание, не говоря уж о том, что у нас нет теории, которая его описывает.

Более того, изредка звучат громкие возгласы, что квантовая механика позволит нам овладеть телепатией и телекинезом (и хотя где-то на глубине концепций это может быть так, люди понимают все слишком буквально). Поэтому физики вообще опасаются упоминать слова «квантовый» и «сознание» в одном предложении.

В 2016 году Эдриан Кент из Кембриджского университета в Великобритании, один из самых уважаемых «квантовых философов», предположил, что сознание может менять поведение квантовых систем тонким, но вполне обнаружимым образом. Кент очень осторожен в своих высказываниях. «Нет никаких убедительных оснований полагать, что квантовая теория — это подходящая теория, из которой можно извлечь теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны как-то пересекаться с проблемой сознания», признает он.

Но добавляет, что совершенно непонятно, как можно вывести описание сознание, основываясь исключительно на доквантовой физике, как описать все его свойства и черты.

Мы не понимаем, как работают мысли

Один особенно волнующий вопрос — как наш сознательный разум может испытывать уникальные ощущения вроде красного цвета или запаха жарки мяса. Если не считать людей с нарушениями зрения, все мы знаем, на что похож красный, но не можем передать это чувство, а в физике нет ничего, что могло бы нам рассказать, на что это похоже.

Чувства вроде этих называют «квалиа». Мы воспринимаем их как единые свойства внешнего мира, но на деле они являются продуктами нашего сознания — и это трудно объяснить. В 1995 году философ Дэвид Чалмерс назвал это «тяжелой проблемой» сознания.

«Любая мысленная цепочка о связи сознания с физикой приводит к серьезным проблемам», говорит Кент.

Это побудило его предположить, что «мы могли бы добиться некоторого прогресса в понимании проблемы эволюции сознания, если бы допустили (хотя бы просто допустили), что сознание меняет квантовые вероятности».

Другими словами, мозг может действительно влиять на результаты измерений.

С этой точки зрения, он не определяет, «что является реальным». Но он может влиять на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, навязанных квантовой механикой, будет наблюдаться. Этого не может предсказать даже сама квантовая теория. И Кент полагает, что мы могли бы поискать такие проявления экспериментально. Даже смело оценивает шансы найти их.

«Я бы предположил с 15-процентной уверенностью, что сознание вызывает отклонения от квантовой теории; и еще 3-процентной — что мы экспериментально подтвердим это в следующие 50 лет», говорит он.

Если это произойдет, мир уже не будет прежним. А ради такого стоит исследовать.