#двойная щель

[it-healer]

Квантовая физика: как наше наблюдение меняет реальность?

В начале XX века в Германии жил необычный конь по имени Ганс. Его считали гением: он умел считать, различать цвета, определять достоинство монет и даже отвечать на устные и письменные вопросы, отстукивая копытом нужное число раз. Феномен оказался настолько удивительным, что привлек внимание ученых, которые органи��овали специальное исследование.

Но вот в чем загадка: когда Ганс отвечал на вопросы, его хозяин не вмешивался, а сам конь справлялся с заданиями даже с незнакомыми людьми. Причем в 90% случаев ответы были верными! Мошенничество не обнаружили, но как же тогда объяснить этот феномен?

Выяснилось, что Ганс на самом деле не знал математики и не обладал сверхинтеллектом. Он просто невероятно тонко улавливал малейшие изменения в выражении лиц и позах людей. Когда число стуков копытом достигало правильного ответа, наблюдатели, сами того не осознавая, чуть-чуть меняли свою мимику и жесты, и Ганс это чувствовал. Так был открыт эффект умного Ганса — психологический феномен, доказывающий, что люди (даже когда пытаются не вмешиваться) неосознанно подсказывают правильные ответы.

Но что, если этот эффект не ограничивается только психологией? Что, если наблюдатель меняет не только поведение живых существ, но и саму реальность? Именно к этому вопросу привела нас квантовая механика.

Как наблюдатель влияет на физику?

Издавна людей волновали вопросы: если в лесу падает дерево, но никто этого не слышит, издает ли оно звук? Или: существует ли Луна, пока мы на нее не смотрим? На первый взгляд, такие размышления кажутся чисто философскими, ведь физические процессы должны происходить независимо от нас. Однако квантовая теория внесла неожиданный поворот: оказалось, что сам факт наблюдения может менять ход событий!

Кот Шрёдингера – живой или мертвый?

Один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике – кот Шрёдингера. Представьте: в закрытой коробке сидит кот, рядом с ним — механизм с радиоактивным атомом. Если атом распадется, механизм отравит кота. Если нет — кот останется жив. Самое странное, что по законам квантовой механики, пока коробка закрыта, кот одновременно и жив, и мертв. То есть он находится в суперпозиции двух состояний.

Но как только мы откроем коробку и посмотрим на кота, одно из состояний мгновенно исчезнет, и кот окажется либо живым, либо мертвым. Значит, сам факт наблюдения как будто разрушает эту двойственность. Как это вообще возможно?

Двойная щель: частицы, которые знают, что ��а ними следят

Еще один странный эксперимент — двойной щелевой эксперимент. Если направить поток электронов через две узкие щели, на экране за ними возникает картина, похожая на интерференцию волн. Это значит, что каждый электрон ведет себя не как частица, а как волна, которая проходит через обе щели одновременно!

Но стоит нам поставить детектор возле одной из щелей и начать наблюдать за электронами, как интерференцион��ая картина исчезает, и электроны начинают вести себя как обычные частицы. Хотя мы ничего не трогаем, сам факт наблюдения меняет их поведение! Получается, что элементарные частицы каким-то образом "узнают", что за ними следят и ведут себя иначе. Как такое возможно?

Как объяснить этот эффект?

Чтобы понять, что здесь происходит, нам понадобятся три ключевых понятия: волновая функция, квантовая запутанность и декогеренция.

Волновая функция и коллапс

Каждая частица описывается волновой функцией, которая указывает все возможные состояния, в которых она может находиться. Пока мы не смотрим, частица существует во всех этих состояниях сразу (то есть в суперпозиции). Но когда мы ее измеряем, суперпозиция исчезает, и частица "выбирает" одно из состояний. Этот процесс называется коллапсом волновой функции.

Квантовая запутанность

Бывает, что две частицы оказываются связаны так, что изменение одной мгновенно влияет на другую, даже если их разделяет огромное расстояние. Это называется квантовой запутанностью. Например, если две частицы запутаны, то, измеряя одну, мы мгновенно узнаем состояние другой, даже если она находится на другом конце Вселенной!

Декогеренция – конец квантовой магии

Когда квантовая система взаимодействует с окружающим миром, ее запутанные состояния разрушаются – это называется декогеренцией. Проще говоря, чем больше частиц вовлечено в процесс, тем сложнее сохранять суперпозицию. Именно поэтому в макромире мы не видим странностей квантовой механики: объекты слишком сильно взаимодействуют друг с другом, и их суперпозиция исчезает.

Многомировая интерпретация: а что, если реальности бесконечно много?

Одно из самых необычных объяснений эффекта наблюдателя предлагает многомировая интерпретация квантовой механики. Она утверждает, что при каждом квантовом событии Вселенная разделяется на несколько параллельных реальностей, в которых происходят все возможные исходы.

Когда вы подбрасываете монету, она выпадает и орлом, и решкой – просто в разных вселенных. Когда открывается коробка с котом Шрёдингера, появляются две версии реальности: в одной кот жив, в другой – мертв. Мы просто случайным образом оказываемся в одной из них, а другие продолжают существовать, но уже без нас.

Звучит как фантастика? Может быть. Но эта интерпретация объясняет, почему наблюдатель перестает видеть суперпозицию – потому что он сам становится частью одной из разветвленных реальностей.

Так кто же управляет квантовой Вселенной?

На первый взгляд, все это похоже на магию: наблюдатель изменяет реальность, частицы "узнают", что за ними следят, а коты оказываются одновременно живыми и мертвыми. Но на самом деле квантовая физика просто показывает нам, что мир устроен сложнее, чем кажется.

Нет, человек не обладает суперспособностями, чтобы управлять судьбой Вселенной, но сам процесс наблюдения – это взаимодействие с миром, которое оставляет след. И этот след может менять ход событий, особенно на квантовом уровне.

Так что, возможно, эффект умного коня Ганса и квантовая механика ближе, чем кажется. Мы, сами того не осознавая, влияем на реальность – как в мире психологии, так и в мире элементарных частиц. И кто знает, какие еще тайны скрывает Вселенная?

[e2blogengine]

8/8: Квантовая физика и вероятностный мир

Продолжаю рассказывать про то, что я вычитал в «Краткой истории времени» Стивена Хокинга. Это восьмая и последняя часть рассказа.

Интерференция электрона с самим собой

В 1920-х годах в лаборатории Белла ставили эксперименты с потоками электронов и получили странные результаты. Электроны вели себя то как частицы, то как волны, то как чёрт знает что.

Фотка с телефона по запросу «чёрт знает что»

Сейчас попробую рассказать по шагам.

Шаг 1. Берём поток электронов и направляем его на экран, фиксирующий прилетевшие электроны. Ставим между источником электронов и экраном пластину с вертикальной щелью. Большая часть электронов попадает на пластину, но некоторые пролетают через вертикальную щель и попадают на экран. Точки на экране образуют вертикальную полосу, примерно повторяя форму щели. Всё логично. Именно такого поведения мы ожидаем от частиц.

Шаг 2. Теперь заменим пластину на такую же, но не с одной, а с двумя вертикальными щелями. Направляем через них тот же поток электронов и ожидаем увидеть на экране две полосы точек вдоль этих щелей. Но вместо этого видим «интерфереционную картину». Электроны разлетелись по всему экрану, но при этом кучкуются такими «волнами» — то их больше, то меньше. Это странно, частицы так себя не ведут! Зато так себя ведут волны. Они проходят через две щели, разбегаются во все стороны от них и накладываются друг на друга. В т��чках, где фазы волн совпадают, получается получается то двойная волна. А если оказываются в противофазе, то полностью гасят друг друга. Поэтому когда волны доходят до экрана мы и видим «волны» — то точек сильно больше, то сильно меньше.

Сергей Второв сделал модель, в которой можно поиграться с длинной волны, размером и расстоянием между щелями и расстоянием до экрана. По ссылке модель для эксперимента со светом, но в эксперименте получалось, что электроны ведут себя аналогично.

Вот как это выглядит на практике:

Запись с детектора электронов, чтобы посмотреть своими глазам��.

Такой эффект можно объяснить так: у нас летит много-много электронов-волн, эти волны накладываются друг на друга и в одних местах усиливают друг друга, а в других гасят. Так получается интерференционная картина на экране, где точек то больше, то меньше. А что если стрелять электронами по одному с интервалом раз в секунду? Тогда электроны не будут влиять друг на друга.

Шаг 3. Находим установку и стреляем электронами по одному. Возвращаемся через полчаса — и видим на экране ту же интерфереционную картину. Что за фигня? Получается, что электрон-волна как будто одновременно проходит через обе щели, сам с собой интерферирует и в итоге оказывается с некоторыми вероятностями в разных точках экрана. Распределение вероятностей оказаться в разных точка экрана идёт волной и поэтому после запуска большого числа электронов мы и видим эти точки на экране волнами. WAT?

Может быть будет понятнее, если посмотреть объясняющее видео с иллюстрациями:

Видео на 7 минут на русском.

Видео на 8 минут на английском + в конце бонус про влияние наблюдателя на эксперимент. Штуки про наблюдателя выходят за рамки этого поста, но очень интригуют.

Если я правильно понял, то Ричард Фейнман предложил смотреть на это так: частица одновременно проходит по всем возможным траекториям. У каждой траектории своя вероятность завершиться в конкретной точке. Чтобы понять, окажется ли электрон в конкретной точке, надо просуммировать вероятности по всем его возможным траекториям. Этот метод так и называется — «суммирование про траекториям». Рассчитать, в какую именно точку улетит конкретная частица, нельзя — но можно построить карту вероятностей для всех точек, куда она может улететь. Если запустить много-много частиц, то распределение точек совпадёт с рассчитанными вероятностями. Вот такой вероятностный мир.

Почему электроны не падают на ядра?

Раньше считалось, что электроны летают вокруг атомов как маленькие электроны-планетки вокруг маленьких ядер-звёзд. Но было непонятно, почему они не теряют потихоньку энергию, не падают на ядра и не происходит коллапс всей материи во Вселенной. В 1913 году Нильс Бор постулировал, что электроны могут занимать только определённые траектории и переходить между ними с получением/испусканием энергии. Почему так — было непонятно, но такой постулат лучше всего согласовывался с наблюдениями. Всё-таки, электроны не падали на ядра.

Объяснение этому эффекту дал Фейнман с его идеей суммирования по траекториям. Когда электрон-волна летит вокруг ядра, то вдоль некоторых орбит укладывается целое (а не дробное) число длин волн электрона. При движении по этим орбитам гребни волн окажутся в одном и том же месте на каждом витке, и поэтому такие волны складываются; такие орбиты относятся к боровским разрешённым орбитам. А для тех орбит, вдоль которых не укладывается целое число длин волн электрона, каждый гребень по мере обращения электронов рано или поздно скомпенсируется впадиной; такие орбиты не будут разрешёнными. Суммирование по траекториям показывает, что обнаружить электрон на разрешённой орбите можно с высокой вероятностью, а на неразрешённой — с нулевой. И всё сразу становится понятно, правда? :-)

Принцип неопределённости и фундаментальное представление о реальности

Принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что невозможно определить положение и импульс частицы точнее определённого предела. Чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Насколько я понял, это связано даже не с тем, что само измерение влияет на частицу, а с самой её природой. Так как она немножко волна, то положение у неё слегка размазанное. Но дело там тёмное, и мне самому интересно получше с этим разобраться.

С этим связан вопрос о фундаментальной определённости (или неопределённости) мира. Эйнштейн говорил, что измерить положение, скорость и другие параметры частиц мы супер-точно не можем, но у частиц они изначально есть. Это было бы логично. А Нильс Бор предположил, что их и изначально нет. Что параметры проявляются, только когда мы их измеряем, то есть как-то взаимодействуем с частицей. Эта безумная на первый взгляд мысль рождается из экспериментов с электронами. В примере с электроном, летящем через две щели сразу, получается, что у него вообще нет какого-либо внятного положения в пространстве, пока его где-нибудь не остановят.

Мне всё это кажется очень странным. Как это у частицы нет определённых параметров до измерения? Но в 1964 году Джон Белл придумал эксперимент, результат которого различался, если эти параметры и правда изначально не определены. А через двадцать лет его смогли провести и узнать результат. Круто про это написал Sly2m на Dirty: раз, два, три. После них я чуть-чуть начал понимать изначальный вопрос, способы экспериментальной проверки и пугавшее Эйнштейна «жуткое дальнодействие».

Все части серии

Эволюция представлений об устройстве Вселенной

Неабсолютное пространство

Неабсолютное время

Взаимодействие света и гравитации

Предельная скорость перемещения в пространстве

Большой взрыв, большое схлопывание и тепловая смерть

Жизненный цикл звёзд и чёрные дыры

Квантовая физика и вероятностный мир

Где купить «Краткую историю времени» Хокинга

— Бумажную — на Озоне, я читал её, — электронную — на Литресе, — аудиоверсии пока нет.

Как получать свежие посты

— Электронная почта и РСС — туда попадают только посты в блог, — телеграм-канал, фейсбук и твиттер — туда попадают заинтересовавшие меня ссылки с короткими комментариями, — инстаграм — туда иногда выкладываю фотки.

Источник: Блог Всеволода Устинова - 8/8: Квантовая физика и вероятностный мир. Опубликовано с помощью IFTTT.