5 квантовых экспериментов, доказывающих, что действительность является иллюзией

Никто в мире не может понять, что такое квантовая механика, но это, возможно, самая важная вещь, которую Вы должны знать. Многие физики учились использовать её законы и предсказывать явления, основанные на квантовых вычислениях. Но всё ещё неясно, почему наблюдатель эксперимента определяя поведение системы и меняет его результаты. Приведёт примеры экспериментов с результатами, которые неизбежно находятся под влиянием наблюдателя, и проведены с целью выяснить, как квантовая механика будет иметь дело с вмешательством сознательной мысли в действительность.

Кошка Шредингера

Сегодня существует много интерпретаций квантовой механики, включая Копенгагенскую, являющуюся самой известной до настоящего времени. В 1920-х общие постулаты были сформулированы Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Волновая функция стала основным термином Копенгагенской интерпретации, это - математическая функция, содержащая информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы.

Как заявлено Копенгагенской интерпретацией, состояние системы и её положение относительно других состояний может быть определено только наблюдением (волновая функция используется только, чтобы помочь математически вычислить вероятность системы, находящейся в одном состоянии или в другом). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической, и немедленно прекращает существовать в других состояниях, за исключением состояния, в котором она наблюдалась.

У этого подхода всегда были свои противники (например, “Бог Альберта Эйнштейна не играет в кости“), но точность вычислений и предсказаний всегда преобладала. Однако число сторонников Копенгагенской интерпретации уменьшается, и главной причиной этого является таинственный мгновенный крах волновой функции во время экспериментов. Известный умственный эксперимент Эрвина Шредингера с бедной кошкой предназначался, чтобы продемонстрировать нелепость этого явления.

Давайте резюмируем природу этого эксперимента. Живая кошка помещена в чёрный ящик вместе с пузырьком, содержащим яд, и механизмом, который может случайно выпустить этот яд. Например, радиоактивный атом во время распада может сломать пузырек. Точное время распада атома неизвестно. Известно только время, в течение которого происходит распад с вероятностью 50%.

Для внешнего наблюдателя кошка в коробке существует в двух состояниях: она или жива, если повезло, или мертва, если распад произошёл, и пузырек был сломан. Оба этих состояния обусловлены волновой функцией кошки, которая меняется в течение долгого времени. Чем больше времени прошло, тем более вероятно, что радиоактивный распад уже произошёл. Но как только мы открываем коробку, происходит крах волновой функции, и мы немедленно видим результаты этого негуманного эксперимента.

Фактически, пока наблюдатель не откроет коробку, кошка будет подвергнута бесконечному нахождению между жизнью и смертью, и её судьба может быть определена только действием наблюдателя. Это нелепость, на которую указывает Шредингер и разрушает привычную теорию.

Дифракция электронов.

Согласно опросу самых великих физиков, проведённому Нью-Йорк Таймс, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Каков его характер?

Есть источник, который испускает поток электронов на светочувствительный экран. И есть преграда для этих электронов - медная пластина с двумя разрезами. Какую картину можно ожидать на экране, если электроны будут настолько малыми заряженными частицами? Две освещённые полосы напротив разрезов.

Фактически, экранные дисплеи намного более сложный образец чередования чёрных и белых полос. Это следствие того, что, проходя через разрез, электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (точно так же фотоны или световые частицы могут быть волнами в то же самое время). Эти волны взаимодействуют в пространстве, подавляя или усиливая друг друга, и в результате сложный образец маяка с переменным светом и тёмными полосами появляется на экране.

В то же время результат этого эксперимента не меняется, если электроны проходят через разрез не как через один единственный поток, а один за другим, даже одна частица может быть волной. Даже единственный электрон может пройти одновременно через оба разреза (и это также один из главных постулатов Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно показать и свои “обычные” физические свойства и необычные свойства волны).

Но что относительно наблюдателя? Наблюдатель делает эту сложную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попробовали определить с помощью инструментов, что разрезает электрон, изображение на экране существенно изменилось и стало “классическим” с двумя освещёнными секциями напротив разрезов без всяких переменных показателей.

Электроны отказались показать характер волны под зорким глазом наблюдателей. Что заставляет их следовать за инстинктивным желанием видеть чёткую и простую картину. В чем же тайна? Есть более простое объяснение: никакое наблюдение за системой не может быть выполнено, физически не влияя на него. Но мы обсудим это немного позже.

Нагревание фуллерена.

Эксперименты на дифракцию частиц были проведены не только для электронов, но и для больших объектов. Например, используя фуллерен, большие закрытые молекулы, состоящие из десятков атомов углерода (например, фуллерен шестидесяти атомов углерода очень похож на футбольный мяч, полая сфера, состоящая из пятиугольников и шестиугольников).

Недавно группа учёных из университета Вены, контролируемая профессором Цайлингером, попыталась ввести элемент наблюдения в этих экспериментах. Чтобы сделать это, они освещали перемещение фуллерена молекулы лазерным лучом. Нагретые внешним источником, молекулы начали пылать и показали своё присутствие в пространстве наблюдателю.

В связи с этими нововведениями поведение молекул также изменилось. До начала такого всестороннего наблюдения, фуллерен вполне успешно избегал препятствий (показал подобные волне свойства), как в предыдущем примере с электронами, проходящими через непрозрачный экран. Но позже, с присутствием наблюдателя, фуллерен начал вести себя как абсолютно законопослушные физические частицы.

Охлаждение измерением.

Один из известных законов в мире квантовой физики - принцип неуверенности Гейзенберга, который утверждает, что невозможно определить скорость и положение квантового объекта в одно и то же время. Чем более точны мы при измерении импульса частицы, тем менее точны мы при измерении её положения. Но квантовые законы, воздействующие на крошечные частицы обычно, остаются незамеченными в нашем мире больших макроскопических объектов.

Недавние эксперименты профессора Шваба в США ещё более ценны в этом отношении, в них квантовые эффекты были продемонстрированы не на уровне электронов, или фуллерена молекулы (их характерный диаметр составляет приблизительно 1 нм), а на немного более материальном объекте, крошечной алюминиевой полосе.

Эта полоса была зафиксирована с обеих сторон так, чтобы её середина была в состоянии ожидания, и она могла вибрировать под внешним влиянием. Кроме того, самопишущий прибор, способный к точному определению положения, был помещён около неё.

В результате экспериментаторы получили два интересных результата. Во-первых, любое измерение, связанное с положением объекта и наблюдениями за полосой, действительно затрагивало его после каждого измерения, которое изменяло положение полосы. Проще говоря, экспериментаторы определили координаты полосы с высокой точностью и, таким образом, согласно принципу Гейзенберга, изменили её скорость и, следовательно, последующее положение.

Второй результат был довольно неожиданным: некоторые измерения также привели к охлаждению полосы. Так, наблюдатель может изменить физические свойства объектов только присутствуя при эксперименте.

Замораживание частиц.

Известно, что нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с кошками, но и самостоятельно. У каждой частицы есть средняя целая жизнь, которая, как оказывается, может увеличиться под зорким глазом наблюдателя.

Этот квантовый эффект был сначала открыт в 1960-х, и его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной в 2006 группой учёных во главе с лауреатом Нобелевской премии по физике Вольфгангом Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой статье был изучен распад нестабильных взволнованных атомов рубидия (фотоны могут распадаться на атомы рубидия в их основном состоянии). Немедленно после подготовки системы наблюдалось возбуждение атомов под лазерным лучом. Наблюдение проводилось двумя способами: непрерывный (система постоянно подвергалась маленьким световым импульсам) и подобный пульсу (система время от времени освещалась более сильными импульсами).

Полученные результаты отлично соответствуют теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их к их исходному состоянию, которое далеко от состояния покоя. Величина этого эффекта для двух изученных способов также совпадает с предсказаниями. Максимальная жизнь нестабильных взволнованных атомов рубидия была расширена до 30-кратного значения.

Квантовая механика и сознание.

Электроны и фуллерены прекращают показывать свои свойства волны, алюминиевые пластины остывают и нестабильные частицы замораживаются, проходя свой распад, под зорким глазом наблюдателя. Почему это не может быть доказательствами участия наших умов в работе мира? Поэтому возможно Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийский физик и лауреат Нобелевской премии, пионер квантовой механики) были правы, когда сказали, что законы физики и сознания должны быть рассмотрены как взаимодополняющие?

Мы всего на один шаг от принятия, что мир вокруг нас является просто иллюзорным продуктом нашего ума. Страшно, не так ли? Давайте с другой стороны попытаемся обратиться к физикам. Особенно, когда в последние годы они всё меньше одобряют Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с её таинственным крахом волновой функции, уступая место другому вполне надёжному термину "decoherence".

Вот что общее во всех этих экспериментах с наблюдениями - экспериментаторы неизбежно повлияли на систему. Они осветили его лазером и установили измерительные приборы. Но это - общий и очень важный принцип: Вы не можете наблюдать систему или измерять её свойства, не взаимодействуя с нею. И где есть взаимодействие, там будет модификация свойств. Особенно, когда на крошечную квантовую систему влияют колоссальные квантовые объекты. Таким образом, вечный буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Это объяснено термином “decoherence”, который является необратимым, с точки зрения термодинамики, процессом изменения квантовых свойств системы, когда она взаимодействует с другой большей системой. Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои оригинальные свойства и становится классической, “повинуясь” большой системе. Это объясняет парадокс кошки Шредингера: кошка является такой большой системой, что просто не может быть изолирована от остальной части мира. Простой дизайн этого умственного эксперимента не совсем правилен.

В любом случае, по сравнению с действительностью сознания как акта создания, decoherence представляет намного более удобный подход. Возможно, даже слишком удобный. Действительно, с этим подходом весь классический мир становится одним большим последствием decoherence. И авторы одной из самых видных книг в этой области заявили, что такой подход также логически приведёт к таким заявлениям, как “нет никаких частиц в мире” или ”на фундаментальном уровне нет никакого времени”.

Действительно ли это - создатель-наблюдатель или сильный decoherence? Мы должны выбрать между этими понятиями. Но помните, теперь учёные всё более и более убеждаются, что основание нашей умственной деятельности создано этими печально известными квантовыми эффектами. Так, где заканчивается наблюдение и начинается действительность, решать каждому из нас.

Материал подготовила GusenaLapchataya - специально для Muz4in.Net

Copyright Muz4in.Net © - Данная новость принадлежит Muz4in.Net, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"

Почитать ещё:

• Как появились некоторые продукты
• Личное число года... Private number of the year...
• Интересно, под чем она....
• Хищный попугай