Квантове вимірювання або Як реальність виникає на атомному рівні
Світ у субатомному масштабі є, м’яко кажучи, дивним. Частинки взагалі не поводяться як предмети повсякденного життя. Десятиліттями фізиків переслідує, чому це так. Чи неправильно зрозумілі гіпотези, що пояснюють поведінку електронів або мікросвіту, насправді назавжди залишаться для нас загадкою?
Теоретичні передбачення квантової механіки спричинили значну плутанину у фізиці. Частинки поводяться один раз як хвиля, інший раз як звичайні тіла. Плюс, ніби вони перебирали одразу кілька місць. Але коли вчені спробували дослідити проблему експериментально, особливості відображення зникли. Все виглядало цілком нормально. Що спричинило цю зміну? Це, мабуть, найбільша загадка квантової механіки, яку намагаються розгадати кілька гіпотез. Ми уявимо чотирьох найвідоміших.
За все відповідає спостерігач?
Теоретичні фізики на чолі з Нільсом Бором, який був народженим квантовою теорією, висунули гіпотезу про те, що при таких невеликих структурах, як електрони, втручання самих вимірювальних приладів або т. зв спостерігач. Це найдавніший погляд на проблему квантових вимірювань, який називають класичною або копенгагенською інтерпретацією.
Ми використаємо згаданий електрон як приклад, але всі структури мікросвіту поводяться однаково. Квантова механіка описує їх не з точними координатами, а за допомогою хвильової функції, яка замість точних координат дає лише ймовірність знаходження в певній області. Він збільшується зі збільшенням амплітуди хвилі і є найбільшим у місці розташування найвищого його кінчика. Однак завжди існує певна ненульова ймовірність того, що електрон знаходиться практично в будь-якому місці космосу, навіть за кілька світлових років від нас.
Отже, згідно з копенгагенською інтерпретацією, нічого певного не можна сказати про дану частинку, в нашому випадку про електрон, якщо експериментатор не націлить на неї своїми пристроями. Поки що ніби навіть не існувало у справжньому розумінні цього слова. Тільки завдяки експерименту він набуває специфічних властивостей і положення. Це наслідок колапсу хвильової функції. 1 На місці знахідки хвиля "вказує" на один пік, що представляє 100% ймовірність появи. Таким чином, частинка виходить у певному положенні. У всіх інших місцях космосу хвильова функція повністю збалансована.
Принципи копенгагенської інтерпретації стали джерелом різних гуру та містифікаторів. Вони звітують псевдонаукові до езотеричних тверджень про вплив розуму на реальність, вони посилаються на квантову механіку, яку насправді вони неправильно трактують. Їх інтерпретації звучать науково, але вони нісенітниця.
Щось ще не вистачає
Класична інтерпретація не була загальновизнаною. Ейнштейну не сподобалася ідея електрона, утвореного, так би мовити, спостерігачем. Йому подобалося, як Бор запитував, чи існує Місяць лише тому, що миша дивилася на нього. Він вірив у влаштування світу з чіткими координатами, в якому результат може бути точно передбачений і не обмежений жодними безглуздими ймовірностями.
Він також заразив цими ідеями молодого фізика Девіда Бома, який нарешті розробив власну концепцію квантової механіки. Він стверджував, що електрони існують незалежно від спостереження. Вони просто нічим не відрізняються від звичайних предметів. Однак, щоб розрахунки працювали коректно, йому довелося ввести в рівняння додатковий параметр, якийсь квантовий потенціал. Це більш складна аналогія класичної хвильової функції Шредінгера. Бом охарактеризував його як своєрідне поле, яке складається з нескінченної кількості хвиль, що перетинаються. Ця функція призначена не кожній частинці окремо, а він існує "по сусідству" як окрема частина реальності, що розповсюджується по всесвіту. Хоча жоден пристрій не може його захопити, його вплив не є незначним на рівні мікросвіту.
Хвильова функція Бома взагалі не вказує на ймовірність, а безпосередньо впливає на електрон. Наче вона стояла на задньому плані, нюхаючи його в певному місці. Саме цей механізм відповідає за те, щоб частинка з’явилася в певному місці. Експериментатор не витягує об’єкт із супу невизначеностей, як стверджує Копенгагенська інтерпретація, але впливає на квантовий потенціал. Саме від цього поля залежить стан електрона, а не від зовнішніх перешкод.
Однак поняття прихованого параметра не може задовільно пояснити т.зв. "Загрожуюча дія на відстані". Усередині пари квантових "зв'язаних" електронів одна частинка реагує на зміну квантового стану іншої незалежно від відстані. У такому випадку квантовий потенціал повинен передавати інформацію про окремі об'єкти з надсвіченою швидкістю, що суперечить спеціальній теорії відносності. 2
Паралельні світи
Ймовірно, найбільш суперечливе пояснення квантових особливостей було представлено в 1957 р. Як дисертація студента Принстонського університету Х'ю Еверетта. Як і Девід Бом, він дотримувався думки, що світ атомів нічим не відрізняється від макросвіту. Тож відсутні невизначені параметри. Більше того, він не потребує спостерігача і навіть не вимагає присутності керуючої хвилі чи іншої функції. То в чому кришка? Вся його концепція базується на передумові, що наш Всесвіт є одним з нескінченної кількості інших.
Еверетт повністю виключив поняття ймовірності з квантової механіки. Усі, включаючи найменш мислимі події, яка описує хвильову функцію, або матриці Гейзенберга, справді станеться - в іншому світі. Всесвіт розколюється щомиті, роблячи копії себе кожного разу, коли є кілька потенційних результатів.
Тільки завдяки одному електрону існує ціла купа спеціальних всесвітів, які розмножуються ще далі. І це стосується кожної окремо взятої частинки, усіх предметів навколо неї і, звичайно, людей. Отже, на думку Еверетта, існує незліченна кількість окремих світів, в яких є "клони" кожного з нас. Вони можуть бути майже однаковими або зовсім різними. (Ми також писали про паралельні всесвіти з точки зору квантової механіки в цій статті.) Інші фізики спочатку вважали цю роботу продуктом розуму, повного фантазії, а не твердого тіла гіпотеза. Наукові теорії базуються на принципі бритви Оккама, згідно з яким - якщо інші обставини порівнянні - перевагу надають більш простому рішенню. Однак ідея нескінченної кількості різних реалій точно не така. Це також породжує низку моральних питань. Однак передбачення цієї всесвітньої інтерпретації нічим не відрізняються від результатів вищезазначених інтерпретацій.
Втручання в навколишнє середовище
Однак виявляється, що загальні рівняння не потребують будь-яких доповнень, таких як паралельні світи або особлива роль спостерігача, на якому стоять інші інтерпретації, якщо вони стосуються неізольованих конструкцій. Всі особливості проявляються лише в позначеннях, які сформульовані для світу всередині атомів або для частинок, ізольованих від навколишнього середовища. Однак у реальних умовах навколишній простір безпосередньо переповнений іншими частинками, які взаємодіють між собою.
Саме цей процес теоретично може замінити роль спостерігача, оскільки форма хвильової функції регулюється безпосередньо полями та тілами навколо. Результат буде таким же, як після втручання вимірювального пристрою хвиля врешті-решт руйнується в певному місці. Потім остаточний стан визначається звичайною статистикою, подібно до жеребкування монети. За розрахунками, ціле процес займає дуже короткий час, і чим швидше, тим щільніше середовище. Наприклад, хвильова функція пилового зерна в найглибших глибинах Всесвіту руйнується лише через одну мільйонну частину секунди. Якщо це в звичайних умовах, таких як квартира, його хвиля руйнується за 10-36 секунд.
Цей процес ще називають декогеренцією. Він став відомим переважно завдяки роботі, опублікованій у 1970 році німецьким фізиком Дітером Зехом. Однак вчені досі не погоджуються щодо того, чи це лише гіпотеза чи справжня властивість частинок і всіх предметів загалом. Проте вже було проведено кілька експериментів на користь декогеренції.
Протягом десятиліть з’явилося ряд інших більш-менш суперечливих пояснень проблеми квантового вимірювання. Наприклад, деякі говорять про доказ існування всюдисущого Бога, який замінює роль спостерігача. Але, мабуть, найпростіший спосіб - прийняти той факт, що ніколи не розумієш загадок на найменшому рівні.
Нарешті, згадаймо слова геніального американського фізика Річарда Фейнмана, який підсумував проблему твердженням: «Теорія квантової механіки описує природу як абсурд з точки зору здорового глузду. І він повністю погоджується з експериментом. Тому я сподіваюся, що ви зможете прийняти природу такою, яка вона є - абсурдною ".
Примітки
1. Поведінка хвильової функції в просторі та часі описується рівнянням, сформульованим Ервіном Шредінгером для опису руху електрона всередині атома. Однак навіть сам творець не знав, як зрозуміти природу функції. Лише коли німецький фізик Макс Борн припустив, що це представляє ймовірність, а також ввів процес колапсу в певному місці.
2. Парадоксально, але цю поведінку частинок вперше описав Альберт Ейнштейн разом з Борисом Подольським та Натаном Розен. Спочатку він мав ідею підірвати досягнення квантової механіки. Принаймні Ейнштейн не дожив до експериментальної перевірки. Ідея була підхоплена в 1964 році енергійним ірландцем Джоном Беллом. Результатом стала теорема, яка врешті дозволила підтвердити таку поведінку.
Ресурси
Брайан Грін - Структура Всесвіту (час, простір та природа реальності), Пасека (2012)
Тімоті Ферріс - Все про Всесвіт, Remedium (2005)
Джон Гріббін - Кошенята Шредінгера, Коламбус, (2001)
Мічіо Каку - Гіперпростір, Арго, Докоран (2008)