14. Двухщелевой эксперимент Всякий, кого не потрясает квантовая теория, просто ее не понял. Нильс Бор Чтобы далее углубиться в изучение того, где сознание входит в физику, мы сперва отвлечемся на рассмотрение природы квантовых объектов. Затем мы вернемся к нашей

Двухщелевой эксперимент Давайте теперь рассмотрим двухщелевой эксперимент, который наиболее ясно показывает природу всех квантовых объектов. Представьте себе обычную квадратную комнату, посреди которой установлена перегородка. Электроны из электронной пушки будут

Эксперимент Белла Эксперимент, демонстрирующий квантовую сцепленность или взаимосвязанность, иногда называют «единством мира» или экспериментом Белла. Этот эксперимент показал, что фотоны от данного источника света взаимосвязаны.Подобно всем другим квантовым

print

В исследовании поведения квантовых частиц учёные из Австралийского национального университета подтвердили, что квантовые частицы могут вести себя настолько странно, что кажется, будто они нарушают принцип причинности.

Этот принцип - один из фундаментальных законов, который мало кто оспаривает. Хотя многие физические величины и явления не меняются, если мы обратим время вспять (являются Т-чётными), существует фундаментальный эмпирически установленный принцип: событие А может влиять на событие Б, только если событие Б произошло позже. С точки зрения классической физики - просто позже, с точки зрения СТО - позже в любой системе отсчёта, т.е., находится в световом конусе с вершиной в А.

Пока что только фантасты сражаются с «парадоксом убитого дедушки» (вспоминается рассказ, в котором оказалось, что дедушка вообще был ни при чём, а надо было заниматься бабушкой). В физике путешествие в прошлое обычно связано с путешествием быстрее скорости света, а с этим пока было всё спокойно.

Кроме одного момента - квантовой физики. Там вообще много странного. Вот, например, классический эксперимент с двумя щелями. Если мы поместим препятствие со щелью на пути источника частиц (например, фотонов), а за ним поставим экран, то на экране мы увидим полоску. Логично. Но если мы сделаем в препятствии две щели, то на экране мы увидим не две полоски, а картину интерференции. Частицы, проходя сквозь щели, начинают вести себя, как волны, и интерферируют друг с другом.

Чтобы исключить возможность того, что частицы на лету сталкиваются друг с другом и оттого не рисуют на нашем экране две чёткие полосы, можно выпускать их поодиночке. И всё равно, через какое-то время на экране нарисуется интерференционная картина. Частицы волшебным образом интерферируют сами с собою! Это уже гораздо менее логично. Выходит, что частица проходит сразу через две щели - иначе, как она сможет интерферировать?

А дальше - ещё интереснее. Если мы попытаемся понять, через какую всё-таки щель проходит частица, то при попытке установить этот факт частицы мгновенно начинают вести себя, как частицы и перестают интерферировать сами с собою. То есть, частицы практически «чувствуют» наличие детектора у щелей. Причём, интерференция получается не только с фотонами или электронами, а даже с довольно крупными по квантовым меркам частицами. Чтобы исключить возможность того, что детектор каким-то образом «портит» подлетающие частицы, были поставлены достаточно сложные эксперименты.

Например, в 2004 году был проведён эксперимент с пучком фуллеренов (молекул C 70 , содержащих 70 атомов углерода). Пучок рассеивался на дифракционной решетке, состоящей из большого числа узких щелей. При этом экспериментаторы могли контролируемо нагревать летящие в пучке молекулы посредством лазерного луча, что позволяло менять их внутреннюю температуру (среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри этих молекул).

Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам можно, в принципе, с точностью до длины волны испускаемого кванта, определить траекторию испустившей их молекулы. Чем выше температура и, соответственно, меньше длина волны кванта, тем с большей точностью мы могли бы определить положение молекулы в пространстве, а при некоторой критической температуре точность окажется достаточна для определения, на какой конкретно щели произошло рассеяние.

Соответственно, если бы кто-то окружил установку совершенными детекторами фотонов, то он, в принципе, мог бы установить, на какой из щелей дифракционной решетки рассеялся фуллерен. Другими словами, испускание молекулой квантов света дало бы экспериментатору ту информацию для разделения компонент суперпозиции, которую нам давал пролетный детектор. Однако никаких детекторов вокруг установки не было.

В эксперименте было обнаружено, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, совершенно аналогичная картине от двух щелей в опыте с электронами. Включение лазерного нагрева приводит сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции. Было установлено, что при температурах T < 1000K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T > 3000K, когда траектории фуллеренов «фиксируются» окружающей средой с необходимой точностью - как классические тела.

Таким образом, роль детектора, способного выделять компоненты суперпозиции, оказалась способна выполнять окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами в той или иной форме и записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена. И совершенно не важно, через что идет обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека.

Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица - а кто ее получит, и получит ли, уже не важно. Важно только, что такую информацию принципиально возможно получить.

Вам кажется, что это - самое странное проявление квантовой механики? Как бы не так. Физик Джон Уиллер предложил в конце 70-х мысленный эксперимент, который он назвал «эксперимент с отложенным выбором». Рассуждения его были просты и логичны.

Хорошо, допустим, что фотон каким-то неведомым способом узнаёт, что его будут или не будут пытаться обнаружить, до подлёта к щелям. Ведь ему надо как-то определиться - вести себя, как волна, и проходить через обе щели сразу (чтобы в дальнейшем уложиться в интерференционную картину на экране), или же прикинуться частицей, и пройти только через одну из двух щелей. Но ему это нужно сделать до того, как он пройдёт через щели, так ведь? После этого уже поздно - там либо лети, как маленький шарик, либо интерферируй по полной программе.

Так давайте, предложил Уиллер, расположим экран подальше от щелей. А за экраном ещё поставим два телескопа, каждый из которых будет сфокусирован на одной из щелей, и будет реагировать только на прохождение фотона через одну из них. И будем произвольным образом убирать экран после того, как фотон пройдёт щели, как бы он их ни решил проходить.

Если мы не будем убирать экран, то по идее, на нём всегда должна быть картина интерференции. А если мы будем его убирать - тогда либо фотон попадёт в один из телескопов, как частица (он прошёл через одну щель), либо оба телескопа увидят более слабое свечение (он прошёл через обе щели, и каждый из них увидел свой участок интерференционной картины).

В 2006 году прогресс в физике позволил учёным поставить такой эксперимент с фотоном на самом деле. Выяснилось, что если экран не убирают, на нём всегда видна картина интерференции, а если убирают - то всегда можно отследить, через какую щель прошёл фотон. Рассуждая с точки зрения привычной нам логики, мы приходим к неутешительному выводу. Наше действие по решению, убираем мы экран или нет, влияло на поведение фотона, несмотря на то, что действие находится в будущем по отношению к «решению» фотона о том, как ему проходить щели. То есть, либо будущее влияет на прошлое, либо в интерпретации происходящего в эксперименте со щелями есть что-то в корне неправильное.

Австралийские учёные повторили этот эксперимент, только вместо фотона они использовали атом гелия. Важным отличием этого эксперимента является тот факт, что атом, в отличие от фотона, обладает массой покоя, а также разными внутренними степенями свободы. Только вместо препятствия со щелями и экрана они использовали сетки, созданные при помощи лазерных лучей. Это дало им возможность сразу же получать информацию о поведении частицы.

Как и следовало ожидать (хотя, с квантовой физикой вряд ли стоит что-то ожидать), атом повёл себя точно так же, как фотон. Решение о том, будет или нет существовать на пути атома «экран», принималось на основании работы квантового генератора случайных чисел. Генератор был по релятивистским меркам разделён с атомом, то есть никакого взаимодействия между ними быть не могло.

Получается, что отдельные атомы, имеющие массу и заряд, ведут себя точно так же, как отдельные фотоны. И пусть это не самый прорывной в квантовой области опыт, но он подтверждает тот факт, что квантовый мир совсем не такой, каким мы можем его себе представлять.

Согласно опросу знаменитых физиков, проведенному The New York Times, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Какова его природа? Существует источник, который излучает пучок электронов на светочувствительный экран. И есть препятствие на пути этих электронов, медная пластина с двумя щелями.

Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).

Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним - даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.

Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.

Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.

2. Подогретые фуллерены

Эксперименты по дифракции частиц проводились не только с электронами, но и другими, гораздо более крупными объектами. Например, использовались фуллерены, большие и закрытые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Недавно группа ученых из Венского университета под руководством профессора Цайлингера пыталась включить элемент наблюдения в эти эксперименты. Чтобы сделать это, они облучали движущиеся молекулы фуллеренов лазерными лучами. Затем, нагретые внешним источником, молекулы начинали светиться и неизбежно отображать свое присутствие для наблюдателя.

Вместе с этим нововведением изменилось и поведение молекул. До начала такого всеобъемлющего наблюдения фуллерены довольно успешно избегали препятствия (проявляя волновые свойства), аналогично предыдущему примеру с электронами, попадающими на экран. Но с присутствием наблюдателя фуллерены стали вести себя как совершенно законопослушные физические частицы.

3. Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов в мире квантовой физики является , согласно которому невозможно определить скорость и положение квантового объекта одновременно. Чем точнее мы измеряем импульс частицы, тем менее точно мы можем измерить ее позицию. Однако в нашем макроскопическом реальном мире обоснованность квантовых законов, действующих на крошечные частицы, обычно остается незамеченной.

Недавние эксперименты профессора Шваба из США вносят весьма ценный вклад в эту область. Квантовые эффекты в этих экспериментах были продемонстрированы не на уровне электронов или молекул фуллеренов (примерный диаметр которых составляет 1 нм), а на более крупных объектах, крошечной алюминиевой ленте. Эта лента была зафиксирована с обеих сторон так, чтобы ее середина находилась в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом было помещено устройство, способное точно записывать положение ленты. В результате эксперимента обнаружилось несколько интересных вещей. Во-первых, любое измерение, связанное с положением объекта, и наблюдение за лентой влияло на нее, после каждого измерения положение ленты изменялось.

Экспериментаторы определили координаты ленты с высокой точностью, и таким образом, в соответствии с принципом Гейзенберга, изменили ее скорость, а значит и последующее положение. Во-вторых, что было довольно неожиданным, некоторые измерения привели к охлаждению ленты. Таким образом, наблюдатель может изменить физические характеристики объектов одним своим присутствием.

4. Замерзающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с котами, но и сами по себе. Каждая частица имеет средний срок жизни, который, как выясняется, может увеличиться под бдительным оком наблюдателя. Этот квантовый эффект был предсказан еще в 60-х годах, а его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной группой под руководством нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучался распад нестабильных возбужденных атомов рубидия. Сразу после подготовки системы атомы возбуждались с помощью лазерного луча. Наблюдение проходило в двух режимах: непрерывном (система постоянно подвергалась небольшим световым импульсам) и импульсном (система время от времени облучалась более мощными импульсами).

Полученные результаты полностью соответствовали теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их в исходное состояние, которое далеко от состояния распада. Величина этого эффекта также совпадала с прогнозами. Максимальный срок существования нестабильных возбужденных атомов рубидия увеличивался в 30 раз.

5. Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают показывать свои волновые свойства, алюминиевые пластинки остывают, а нестабильные частицы замедляют свой распад. Бдительное око наблюдателя буквально меняет мир. Почему это не может быть доказательством причастности наших умов к работе мира? Возможно, Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийский физик, лауреат Нобелевской премии, пионер квантовой механики) были правы, в конце концов, когда заявили, что законы физики и сознания следует рассматривать как дополняющие одно другое?

Мы находимся в одном шаге от признания того, что мир вокруг нас - . Идея страшная и заманчивая. Давайте попробуем снова обратиться к физикам. Особенно в последние годы, когда все меньше и меньше людей верят Копенгагенской интерпретации квантовой механики с ее загадочными коллапсами волновой функции, обращаясь к более приземленной и надежной декогеренции.

Дело в том, что во всех этих экспериментах с наблюдениями экспериментаторы неизбежно влияли на систему. Они зажигали ее с помощью лазера и устанавливали измерительные приборы. Их объединял важный принцип: вы не можете наблюдать за системой или измерять ее свойства, не взаимодействуя с ней. Любое взаимодействие есть процесс модификации свойств. Особенно когда крошечная квантовая система подвергается воздействию колоссальных квантовых объектов. Некий вечно нейтральный буддист-наблюдатель невозможен в принципе. И здесь в игру вступает термин «декогеренция», который является необратимым с точки зрения термодинамики: квантовые свойства системы меняются при взаимодействии с другой крупной системой.

Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои первоначальные свойства и становится классической, словно «подчиняясь» крупной системе. Это объясняет и парадокс кота Шредингера: кот - это слишком большая система, поэтому ее нельзя изолировать от остального мира. Сама конструкция этого мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, если допустить реальность акта творения сознанием, декогеренция представляется гораздо более удобным подходом. Возможно, даже слишком удобным. При таком подходе весь классический мир становится одним большим следствием декогеренции. И как заявил автор одной из самых известных книг в этой области, такой подход логически приводит к заявлениям типа «в мире нет частиц» или «нет времени на фундаментальном уровне».

В чем правда: в создателе-наблюдателе или мощной декогеренции? Нам нужно выбрать между двух зол. Тем не менее ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты - проявление наших психических процессов. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.

По материалам topinfopost.com

• квантовый объект (вроде электрона) может быть более чем в одном месте в одно время. Он может быть измерен как волна, размазанная в пространстве, и может располагаться в нескольких различных точках по всей волне. Это называется свойство волны.
• квантовый объект перестает существовать здесь и спонтанно возникает там без перемещения в пространстве. Это известно как квантовый переход. По сути это телепорт.
• проявление одного квантового объекта, вызванное нашими наблюдениями, спонтанно влияет на связанный с ним объект-близнец, вне зависимости от того, как далеко тот находится. Выбейте электрон и протон из атома. Что бы ни случилось с электроном, то же произойдет с протоном. Это называется «квантовое действие на расстоянии».
• квантовый объект не может проявиться в обычном пространстве-времени, пока мы не будем наблюдать его как частицу. Сознание разрушает волновую функцию частицы.

Последний пункт интересен тем, что без осознанного наблюдателя, который заставляет волну коллапсировать, она будет оставаться без физического проявления. Наблюдение не только беспокоит измеряемый объект, оно вызывает эффект. Это было проверено так называемым двухщелевым экспериментом, когда присутствие сознательного наблюдателя изменяет поведение электрона, превращая его из волны в частицу. Так называемый эффект наблюдателя полностью потрясает то, что мы знаем о реальном мире. Вот, кстати, мультфильм, в котором все наглядно показано.

Как отмечал ученый Дин Радин, «мы заставляем электрон занимать определенную позицию. Мы сами производим результаты измерения». Теперь же полагают, что «это не мы измеряем электрон, а машина, которая стоит за наблюдением». Но машина просто дополняет наше сознание. Это все равно что сказать «это не я смотрю на того, кто переплывает озеро, это бинокль». Машина сама по себе видит не больше, чем компьютер, который может «слушать» песни, интерпретируя звуковой сигнал.

Некоторые ученые предполагают, что без сознания вселенная будет существовать неопределенно, как море квантового потенциала. Другими словами, физическая реальность не может существовать без субъективности. Без сознания нет физической материи. Это замечание известно как « », и его впервые вывел физик Джон Уилер. По сути, любая возможная вселенная, которую мы можем представить без сознательного наблюдателя, уже будет с ним. Сознание представляет собой основу бытия в таком случае и существовало, возможно, до возникновения физической вселенной. Сознание буквально создает физический мир.

Эти выводы гарантируют огромные последствия тому, как мы понимаем свою взаимосвязь с внешним миром, и какого рода отношения могут быть у нас со Вселенной. Как живые существа, мы обладаем прямым доступом ко всему сущему и фундаменту всего физически существующего. Это нам позволяет сознание. «Мы создаем реальность» означает в данном контексте то, что наши мысли создают перспективу того, что мы есть в нашем мире, но если разобраться, нам важно точное понимание этого процесса. Мы порождаем физическую вселенную своей субъективностью. Ткань вселенной - это сознание, а мы - просто рябь на море вселенной. Получается, нам повезло испытать чудо такой жизни, а Вселенная продолжает вливать в нас часть своего самосознания.

«Я считаю сознание фундаментальным. Я считаю материю производным от сознания. Мы не можем оставаться без сознания. Все, о чем мы говорим, все, что мы видим как существующее, постулирует сознание». - Макс Планк, лауреат Нобелевской премии и пионер квантовой теории.