Квантовая физика для чайников: Квантовая физика “для чайников” – Курсы – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Шредингер хотел интерпретировать волновую функцию буквально, как теоретическое представление «волны материи». Но чтобы понять одноэлектронную интерференцию, мы должны прийти к альтернативной интерпретации, предложенной позже в 1926 году Максом Борном.

Борн рассуждал, что в квантовой механике квадрат волновой функции является мерой вероятности «найти» связанный электрон в определенном месте.

Чередующиеся пики и впадины электронной волны преобразуются в схему квантовых вероятностей – в этом месте (которое станет яркой полосой) есть более высокая вероятность найти следующий электрон, а в этом другом месте (которое станет темным). бахрома) вероятность нахождения следующего электрона очень мала или равна нулю.

Подробнее о физике:

Перед тем, как электрон ударится по экрану, он с вероятностью будет обнаружен «здесь», «там» и «где угодно», где квадрат волновой функции больше нуля.Эта вероятность одновременного существования множества состояний известна как «квантовая суперпозиция».

Означает ли это, что отдельный электрон может находиться более чем в одном месте одновременно? Нет, не совсем. Верно сказать, что он может быть обнаружен одновременно более чем в одном месте. И, если мы хотим интерпретировать волновую функцию как реальную физическую вещь, есть смысл, в котором она делокализована или распределена.

Но если под «индивидуальным электроном» мы подразумеваем электрон как частицу, то в некотором смысле этот не существует как таковой, пока волновая функция не взаимодействует с экраном, и в этот момент он «схлопывается». “и электрон появляется” здесь “только в одном месте.

Еще одно. То, что подброшенная монета выпадет орлом с 50-процентной вероятностью, просто означает, что у нее две стороны, и у нас нет способа узнать (или легко предсказать), каким путем она упадет. Это классическая вероятность, порожденная незнанием.

Мы можем быть уверены, что монета по-прежнему имеет две стороны – орла и решку – когда она вращается в воздухе, но мы не знаем точных деталей ее движения, поэтому мы не можем с уверенностью предсказать, какая сторона приземлится. вверх.Теоретически, мы могли бы, если бы точно знали, как сильно вы его перевернули, под каким именно углом и на какой именно высоте вы бы его поймали.

Считается, что квантовая вероятность сильно отличается. Когда мы подбрасываем квантовую монету, мы можем быть достаточно осведомлены о большинстве деталей ее движения, но мы не можем предположить, что «орел» и «решка» существуют на до того, как монета приземлилась, и мы посмотрим.

Итак, не имеет значения, сколько именно информации у вас есть о подбрасывании монеты, вы никогда не сможете с какой-либо уверенностью сказать, каким будет результат, потому что он не предопределен, как в классической системе.

Эйнштейн осуждал этот кажущийся элемент чистой случайности в квантовой механике. Он провозгласил знаменитую фразу: «Бог не играет в кости».

А потом, в 1927 году, начались дебаты. Что такое волновая функция и как ее интерпретировать? Что квантовая механика говорит нам о природе физической реальности? И вообще, что такое реальность?

Квантовая реальность: поиски истинного смысла квантовой механики – игра в теории Джима Бэгготта уже вышла (20 фунтов, Oxford University Press)

Квантовая физика может быть даже страшнее, чем вы думаете

Это центральный вопрос квантовой механики, и никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции – в особых обстоятельствах, при которых частицы кажутся находящимися в двух или более местах или говорится сразу? В 2018 году группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволил нам кое-что сказать наверняка о природе этого загадочного явления.

Их эксперимент был разработан, чтобы позволить ученым украдкой взглянуть на то, где объект – в данном случае частица света, называемая фотоном – на самом деле находится, когда он помещен в суперпозицию. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места одновременно».

Классический пример суперпозиции включает запуск фотонов в две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя как волны, так что частицы, проходящие через одну щель, «мешают» проходящим через другую, их волнистая рябь либо усиливает, либо нейтрализует друг друга, создавая характерный узор на экране детектора. .Однако странно то, что эта интерференция возникает, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Кажется, что частица каким-то образом проходит через обе щели одновременно, мешая себе. Это суперпозиция.

И это становится еще более странным: измерение, через какую щель проходит такая частица, неизменно показывает, что она проходит только через одну, но тогда волнообразная интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Кажется, что сам акт измерения «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит что-то подозрительное, – говорит физик Авшалом Элицур из Израильского института перспективных исследований.«Но вам не разрешено его измерять. Это то, что делает квантовую механику такой дьявольской ».

На протяжении десятилетий исследователи зашли в этот очевидный тупик. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не глядя на нее, но если они попытаются взглянуть на нее, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанное бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Аароновым, ныне работающим в Университете Чепмена, и его сотрудниками – предлагает способ сделать какие-то выводы о квантовых частицах перед их измерением.Подход Ааронова называется формализмом двух векторов состояний (TSVF) квантовой механики и постулирует, что квантовые события в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения может показаться, что причины распространяются назад во времени, возникая после их следствия: это явление называется ретропричинностью.

Но не стоит понимать это странное понятие буквально.Скорее в TSVF, можно получить ретроспективное знание того, что произошло в квантовой системе, выбрав результат: вместо простого измерения того, где оказывается частица, исследователь выбирает конкретное место, в котором будет ее искать. Это называется поствыбором, и он предоставляет больше информации, чем любой безусловный просмотр результатов. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории, вплоть до измерения.Странность возникает потому, что кажется, что исследователь – просто выбирая поиск определенного результата, – затем вызывает этот результат. Но это немного похоже на вывод о том, что если вы включите телевизор, когда запланирована ваша любимая программа, ваше действие заставит эту программу транслироваться в этот самый момент. «Принято считать, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике, – говорит Дэвид Уоллес, философ науки из Университета Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики.«Но это действительно приводит к тому, что можно увидеть такие вещи, которые иначе невозможно было бы увидеть».

Возьмем, к примеру, версию эксперимента с двумя щелями, разработанную Аароновым и его коллегой Львом Вайдманом из Тель-Авивского университета в 2003 году, которую они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой одиночный фотон действует как «заслонка», закрывающая щель, заставляя другой «пробный» фотон, приближающийся к щели, отражаться обратно тем же путем, которым он пришел. Применив постселекцию к измерениям зондирующего фотона, как показали Ааронов и Вайдман, можно было различить фотон затвора в суперпозиции, закрывающей обе (или даже произвольно много) щелей одновременно.Другими словами, этот мысленный эксперимент теоретически позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один хорошо изученный аспект так называемых нелокальных свойств квантовых частиц, где исчезает само понятие четко определенного местоположения в пространстве.

В 2016 году физики Рио Окамото и Сигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя световодную схему, в которой фотон затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом, пройденным другим.«Это был новаторский эксперимент, который позволил вывести одновременное положение частицы в двух местах», – говорит коллега Элитцура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.

Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более ошеломляющий эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью сказать что-то о местоположении частицы в суперпозиции в серии различных моментов времени – до того, как будет произведено какое-либо фактическое измерение.

На этот раз путь пробного фотона будет разделен на три части частичными зеркалами. На каждом из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно рассматривать как происходящие в прямоугольниках, обозначенных A, B и C, один из которых расположен вдоль каждого из трех возможных маршрутов фотона. Глядя на самоинтерференцию зондирующего фотона, можно ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в заданном ящике в определенное время.

Эксперимент разработан таким образом, что зондирующий фотон может показывать интерференцию только в том случае, если он взаимодействует с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времени, а именно, если фотон затвора в какой-то момент находился в обоих ящиках A и C ( t ₁ ), затем в более позднее время ( t ₂ ) только в C, а в еще более позднее время ( t ₃ ) как в B, так и в C. Окончательный знак – фотон затвора создал эту причудливую, противоречащую логике последовательность разрозненных появлений между коробками в разное время – идею, которую Элицур, Коэн и Ааронов предложили в качестве возможной в 2017 году для единственной частицы, распределенной по трем коробкам.«Мне нравится, как в этой статье вопросы о том, что происходит, формулируются с точки зрения всей истории, а не мгновенных состояний», – говорит физик Кен Уортон из Государственного университета Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Разговор о« государствах »- это давнее повсеместное предубеждение, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».

Элитцур и его коллеги утверждают, что это богатство и есть то, к чему TSVF дает доступ. Очевидное исчезновение частиц в одном месте в одно время – и их повторное появление в другое время и в других местах – наводит на мысль о необычном видении процессов, лежащих в основе нелокального существования квантовых частиц.Через призму TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте «отменяется» ее собственной «противоположной частицей» в том же месте. Он сравнивает это с идеей, предложенной британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их объединить, частица и античастица могут аннигилировать друг друга. Сначала это понятие казалось просто способом выражения, но вскоре привело к открытию антивещества.Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в том же смысле, но в некотором смысле аналогично: эти предполагаемые двойники, утверждает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, что позволяет им нейтрализовать свои аналоги.

Итак, хотя традиционный взгляд на суперпозицию «два места одновременно» может показаться достаточно странным, «вполне возможно, что суперпозиция – это совокупность состояний, которые еще более безумны», – говорит Элицур. «Квантовая механика просто сообщает вам их среднее значение.«Постселекция затем позволяет изолировать и исследовать только некоторые из этих состояний с большим разрешением», – предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», поскольку повлекла бы за собой неизвестный до сих пор зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.

Окамото и его коллеги в Киото уже провели предложенный эксперимент с использованием фотонов, но они все еще анализируют результаты. Тем не менее, говорит Коэн, «предварительные результаты хорошо согласуются с теорией.Он говорит, что японские исследователи сейчас вносят улучшения в установку, чтобы уменьшить погрешности.

А пока некоторые сторонние наблюдатели не ждут, затаив дыхание. «Эксперимент обязательно сработает, – говорит Уортон, но добавляет, что он никого ни в чем не убедит, поскольку результаты предсказываются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не было бы веских причин интерпретировать результат с точки зрения TSVF, а не одного из многих других способов интерпретации исследователями квантового поведения.

Элицур соглашается, что их эксперимент можно было бы задумать с использованием общепринятого взгляда на квантовую механику, который преобладал несколько десятилетий назад, но этого никогда не было. «Разве это не хороший показатель надежности TSVF?» он спрашивает. И если кто-то думает, что может сформулировать иную картину того, «что на самом деле происходит» в этом эксперименте, используя стандартную квантовую механику, он добавляет: «Что ж, пусть они идут вперед!»

Он уверен, что эта работа знаменует собой «не что иное, как революцию в квантовой механике.«Теперь, когда методы измерения стали достаточно точными, – говорит он, – вы можете быть уверены, что такие понятия, как обратная причинность, станут неотъемлемой частью квантовой реальности».

Квантовая физика для неизведанных людей

Разве квантовая физика плавит ваш мозг? Во-первых, , не паникуйте. Вы не одиноки в своем замешательстве. Как сказал легендарный физик Ричард Фейнман: «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».

Тем не менее, квантовая теория жизненно важна для описания того, как устроен наш мир.

Итак, мы разбили идеи квантовой теории до уровня, на котором даже пяти (или 55) лет может понять суть.

Что такое квантовая теория?

После нескольких тысяч лет споров мы наконец знаем, из чего состоит «вещество» – крошечные частицы, называемые электронами и кварками. Эти парни объединяются в маленькие семьи, чтобы создавать атомы, такие как водород или кислород, и молекулы, такие как H ₂ O.

Атомы и молекулы – это блоки Lego нашего мира.

Чтобы описать, как работает этот крошечный мир, ученые используют набор идей, называемых квантовой теорией.

Теория делает странные предсказания (например, что частицы могут находиться в двух местах одновременно), но при этом это наиболее точно подтвержденная теория в физике.

Он лежит в основе многих технологий, которые нас окружают, в том числе чипа, который делает ваш смартфон таким умным.

Это странно, правильно, это важно.

Но что на самом деле означает «квант»?

Зайдите на кухню с банкой арахисового масла в руке. Вы можете поставить банку на столешницу или на одну из полок над ней.Но нельзя ставить банку между полками – в этом нет смысла.

Говоря языком физики, вы бы сказали, что полки на вашей кухне «квантованы». Это просто означает, что они бывают разных уровней.

В квантовом мире все разделено на уровни. Например, электрон в атоме может находиться на одном из нескольких установленных «энергетических уровней» – точно так же, как полки на вашей кухне. Но квантовый мир странный. Дайте электрону заряд энергии, и он мгновенно перескочит с одного уровня на другой.

Это называется квантовым скачком .

Вот еще одна аналогия. Если вы управляли квантовым автомобилем, вы могли бы двигаться со скоростью 5 км / ч, 20 км / ч или 80 км / ч, но без промежуточной скорости. Переключите передачи, и вы внезапно прыгнете с 5 до 20 км / ч. Изменение скорости будет мгновенным, поэтому вы даже не почувствуете ускорения.

Это еще один качественный скачок .

Квантовая механика и классическая механика

Микроскопический мир играет по совершенно другим правилам, чем «классический» мир, к которому мы привыкли.

«Классический» – это слово физиков, обозначающее «здравый смысл» – когда что-то ведет себя так, как вы могли бы ожидать от повседневного опыта.

Бильярдный шар – это «классический объект» (он просто катится по столу), но отдельный атом внутри него подчиняется квантовым законам (может в любой момент исчезнуть через зеленый сукно).

Где-то между масштабами атома и бильярдным шаром есть точка пересечения в законах физики – что-то вроде передачи юрисдикции между полицией штата и федеральной полицией.

Слепите достаточно атомов вместе, и странные квантовые эффекты исчезнут, поведение станет классическим. Это называется принципом соответствия .

Принцип неопределенности Гейзенберга

Некоторые вещи в квантовой физике буквально непостижимы. Например, вы никогда не узнаете, где электрон и куда он движется.

Один из способов понять это – использовать связанный эффект наблюдателя – как измерение может изменить результат. Например, чтобы узнать, где находится электрон, вам нужно обнаружить его чем-то (например, фотоном света), но это зондирование, каким бы мягким оно ни было, сбивает электрон с его первоначального курса.Электрон сообщает вам, где он находится, но забывает, куда он направлялся.

Но принцип неопределенности гораздо глубже, чем просто эффект наблюдателя. Он говорит, что природе присуща нечеткость.

Неуверенность в том, где находится электрон, не является ошибкой в ​​нашем наблюдении – это потому, что электрон не имеет определенного положения . Электрон – это не точечная частица, а мазок электронности, разбросанный в пространстве.

Дуальность частица / волна

Квантовые объекты (например, фотоны и электроны) имеют раздвоенные личности – иногда они ведут себя как волны, а иногда как частицы.Их поведение зависит от того, какие вопросы вы им задаете (см. «Эксперимент с двумя щелями» ниже).

Волновая функция

Немного математики, описывающей, как выглядит волна.

Важно отметить, что квантовые волновые функции могут иметь множество возможных решений, каждое с определенной вероятностью того, что оно истинно.

Удивительно, но разные возможные ответы, кажется, взаимодействуют друг с другом в своего рода подвешенном состоянии состояний, называемом суперпозиция – как будто сговорились, чтобы дать нам реальность нашей Вселенной (см. «Две щели» ниже).

Суперпозиция и кошка Шредингера

Представьте себе кошку в коробке вместе с пузырьком с цианидом. Над флаконом на веревке висит молоток. Молот предназначен для падения при срабатывании случайного квантового события (например, при распаде атома урана).

Это мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шредингером, чтобы попытаться передать идею суперпозиции.

Распад атома подчиняется квантовым законам, поэтому его волновая функция имеет два решения: распавшийся или не распавшийся.

Согласно квантовой теории, пока вы не проведете измерение, эти две возможности одинаково действительны. Фактически, вы можете рассматривать атом как распавшийся и не распавшийся одновременно.

Поскольку судьба кошки неразрывно связана с атомом урана, пока вы не взглянете, кошка одновременно жива и мертва.

Что такое запутанность?

Запутанность – это когда две частицы (например, фотоны) тесно связаны, так что измерение одной мгновенно влияет на другую, независимо от того, как далеко она находится.

Это как если бы вы были ребенком, и ваш дядя показал вам цветной шар в каждой руке, а затем перемешал их за спиной. С вашей точки зрения, два шара были «запутаны» – если красный шар находится в его левой руке, это означает, что синий шар находится в его правой руке.

Но квантовая ситуация более загадочна, потому что «шары» не имеют определенного цвета, они меняют цвет – в любой момент они могут стать красными или синими с равной вероятностью. Это совершенно случайно.

Странно то, что взгляд на один шар убивает случайность (останавливает изменение цвета) не только для того, на который вы смотрите, но и для обоих.Если вы видите красный шар, вы знаете, что другой цвет фиксируется как синий.

Таким образом, может показаться, что одна запутанная частица мгновенно влияет на другую, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Альберт Эйнштейн чувствовал, что это нарушает предел космической скорости (он же скорость света), установленный его теорией относительности, и поэтому он дал запутанности ярлык « жуткое действие на расстоянии».

Как физик запутывает фотоны?

Есть пара приемов. Один из них – разбить фотон с высокой энергией на два «дочерних фотона» с более низкой энергией.Как однояйцевые близнецы в фильме ужасов, две дочери обладают мистической связью между собой.

Другой способ – пропустить два фотона через лабиринт зеркал, чтобы вы не могли знать, в каком направлении каждый из них двигался. Эта «непознаваемость» создает путаницу.

Эксперимент с двумя щелями (иллюстрация большей части вышеперечисленного)

Это самый известный эксперимент в квантовой механике, в котором частицы (обычно электроны или фотоны) запускаются в две щели перед тем, как быть обнаруженными на экране.

Он так известен, потому что демонстрирует многие из странных явлений, упомянутых выше.

Эксперимент основан на различном поведении волн и частиц для одной и той же установки.

Например, вы можете установить барьер с двумя прорезями в бассейне с водой, а затем опускать палец внутрь и наружу, чтобы генерировать волны. Волны будут проходить через две прорези и пересекаться с другой стороны, образуя узор.

Но если вы вытащите барьер из воды и выстрелите кучей шариков в две щели, они пролетят прямо через две прямые линии, не создавая интерференционной картины.

Самое странное, что электроны могут вести себя как и то, и другое.

Если вы стреляете электронами в прорези, даже по одному, они образуют на экране интерференционную картину – как если бы каждый электрон одновременно проходил через обе прорези и мешал сам себе. Кажется, это говорит нам, что электроны – это волны.

Поскольку электрон является квантовым объектом, мы не можем знать его местоположение ( принцип неопределенности Гейзенберга ). У электрона есть некоторый шанс пройти через одну щель, некоторый шанс пройти через другую – поскольку оба возможны, он фактически проходит через обе ( суперпозиция состояний ).

Теперь «наблюдение» – это когда электрон попадает в детектор, показывая яркую вспышку (коллапс волновой функции , ).

Но предположим, что вы пытаетесь обмануть электрон, помещая в щели механизм, который сообщает вам, через какую из них проходит электрон. Внезапно интерференционная картина исчезает.

Поскольку вы знаете, через какую щель прошел электрон, он больше не находится в суперпозиции состояний , и поэтому проходит только через одну из щелей.Волновое поведение электрона испаряется, и он ведет себя как мрамор.

Если у вас болит голова, утешитесь тем, что физики также изо всех сил пытаются объяснить этот очевидный парадокс (см. «Интерпретации» ниже).

Хотя, как заметил Фейнман в своей лекции по физике , «парадокс» – это всего лишь конфликт между реальностью и вашим ощущением того, какой реальность «должна быть».

Интерпретации квантовой механики

The Заткнись и вычисли школа – физиков, интересующихся только ответами, и которые отказываются строить догадки о том, что на самом деле происходит.

Интерпретация многих миров – те физики, которые утверждают, что каждое квантовое измерение вызывает создание бесконечного числа параллельных вселенных, по одной для каждого возможного решения волновой функции. Решение … просто оно появляется в нашей Вселенной.

Интерпретация Copenhagen – реальность не существует, пока мы ее не измерим. Акт наблюдения заставляет волновую функцию «коллапсировать».

Интерпретация Де Бройля-Бома или пилот-волны – рассматривает квантовые объекты так же, как классические частицы, но воображает, что они едут как серфер на вершине так называемой пилотной волны.Волна определяет, где окажется частица.

Ссылки по теме: Пять странных квантовых эффектов

BBC – Земля – ​​Странная связь между человеческим разумом и квантовой физикой

«Я не могу определить реальную проблему, поэтому я подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет реальной проблемы».

Американский физик Ричард Фейнман сказал это о печально известных загадках и парадоксах квантовой механики, теории, которую физики используют для описания мельчайших объектов во Вселенной.Но с таким же успехом он мог говорить о столь же запутанной проблеме сознания.

Некоторые ученые думают, что мы уже понимаем, что такое сознание, или что это всего лишь иллюзия. Но многие другие считают, что мы вообще не поняли, откуда приходит сознание.

Извечная загадка сознания даже побудила некоторых исследователей обратиться к квантовой физике для ее объяснения. Это мнение всегда встречалось со скептицизмом, что неудивительно: объяснять одну загадку другой кажется неразумным.Но такие идеи не являются ни абсурдными, ни произвольными.

Во-первых, разум, к большому неудовольствию физиков, пробивался в раннюю квантовую теорию. Более того, предсказано, что квантовые компьютеры способны делать то, что обычные компьютеры не могут, что напоминает нам о том, как наш мозг может достигать вещей, которые все еще остаются за пределами искусственного интеллекта. «Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическое ухаживание, но оно никуда не денется.

Квантовая механика – лучшая теория, которая у нас есть для описания мира на уровне гаек и болтов атомов и субатомных частиц. Возможно, самой известной из его загадок является тот факт, что результат квантового эксперимента может измениться в зависимости от того, решим ли мы измерить какое-либо свойство вовлеченных частиц.

Когда этот «эффект наблюдателя» впервые был замечен первопроходцами квантовой теории, они были глубоко обеспокоены. Казалось, что это подрывает основное предположение, лежащее в основе всей науки: что существует объективный мир вне зависимости от нас.Если поведение мира зависит от того, как – или если – мы смотрим на него, что на самом деле может означать «реальность»?

Самое известное вторжение разума в квантовую механику происходит в «эксперименте с двумя щелями».

Некоторые из этих исследователей были вынуждены заключить, что объективность была иллюзией и что сознанию нужно позволить активную роль в этом процессе. квантовая теория. Для других это не имело смысла. Конечно, как однажды жаловался Альберт Эйнштейн, Луна не существует только тогда, когда мы смотрим на нее!

Сегодня некоторые физики подозревают, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, оно действительно может возникнуть из-за него.Они думают, что для полного понимания того, как работает мозг, может потребоваться квантовая теория.

Может ли случиться так, что, как квантовые объекты, очевидно, могут находиться в двух местах одновременно, так и квантовый мозг может удерживать две взаимоисключающие идеи одновременно?

Эти идеи являются спекулятивными, и может оказаться, что квантовая физика не играет фундаментальной роли ни в работе разума, ни в его работе. Но как минимум эти возможности показывают, насколько странным образом квантовая теория заставляет нас думать.

Самым известным вторжением разума в квантовую механику является «эксперимент с двумя щелями». Представьте, что луч света падает на экран, на котором есть две близкорасположенные параллельные щели. Часть света проходит через щели, после чего попадает на другой экран.

Свет можно рассматривать как своего рода волну, и когда волны выходят из двух подобных щелей, они могут мешать друг другу. Если их пики совпадают, они усиливают друг друга, а если совпадают пики и впадины, они компенсируются.Эта интерференция волн называется дифракцией, и она создает серию чередующихся ярких и темных полос на заднем экране, где световые волны либо усиливаются, либо нейтрализуются.

Подразумевается, что каждая частица проходит одновременно через обе щели

Этот эксперимент считался характеристикой волнового поведения более 200 лет назад, задолго до того, как появилась квантовая теория.

Эксперимент с двойной щелью также можно проводить с квантовыми частицами, такими как электроны; крошечные заряженные частицы, входящие в состав атомов.Как ни странно, эти частицы могут вести себя как волны. Это означает, что они могут подвергаться дифракции, когда их поток проходит через две щели, создавая интерференционную картину.

Теперь предположим, что квантовые частицы проходят через щели одна за другой, и их прибытие на экран также наблюдается одна за другой. Теперь очевидно, что каждой частице нечему мешать на своем пути, но, тем не менее, структура столкновений частиц, которая нарастает с течением времени, выявляет интерференционные полосы.

Похоже, что каждая частица проходит одновременно через обе щели и мешает самой себе. Эта комбинация «обоих путей одновременно» известна как состояние суперпозиции.

Но вот что действительно странно.

Если мы разместим детектор внутри или сразу за одной щелью, мы сможем узнать, проходит ли какая-либо конкретная частица через нее или нет. Однако в этом случае интерференция исчезает. Просто наблюдая за траекторией частицы – даже если это наблюдение не должно мешать движению частицы – мы меняем результат.

Физик Паскуаль Джордан, который работал с квантовым гуру Нильсом Бором в Копенгагене в 1920-х годах, сказал об этом так: «наблюдения не только нарушают то, что нужно измерить, они производят это… Мы заставляем [квантовую частицу] предположить, что определенная позиция “. Другими словами, как сказал Джордан, «мы сами производим результаты измерений».

Если это так, кажется, что объективная реальность уходит из окна.

И это еще более странно.

Если кажется, что природа меняет свое поведение в зависимости от того, «смотрим» мы или нет, мы можем попытаться обманом заставить ее показать руку.Для этого мы могли измерить, какой путь прошла частица через двойные щели, но только после того, как она прошла через них. К тому времени он должен был «решить», идти ли по одному пути или по обоим.

Простое наблюдение, а не какое-либо физическое нарушение, вызванное измерением, может вызвать коллапс

Эксперимент для этого был предложен в 1970-х американским физиком Джоном Уилером, и этот эксперимент с «отложенным выбором» был выполнено в следующем десятилетии.Он использует хитроумные методы для измерения траекторий квантовых частиц (обычно частиц света, называемых фотонами) после того, как они должны были выбрать один путь или суперпозицию двух.

Получается, что, как уверенно предсказывал Бор, не имеет значения, откладываем ли мы измерение или нет. Пока мы измеряем путь фотона до того, как его прибытие в детектор будет окончательно зарегистрировано, мы теряем всякую интерференцию.

Как будто природа «знает» не только то, смотрим ли мы, но и планируем ли.

Каждый раз, когда в этих экспериментах мы обнаруживаем путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов «схлопывается» в одно четко определенное состояние. Более того, эксперимент с отложенным выбором подразумевает, что сам акт наблюдения, а не любое физическое нарушение, вызванное измерением, может вызвать коллапс. Но означает ли это, что настоящий коллапс произошел только тогда, когда результат измерения коснулся нашего сознания?

Трудно избежать вывода о том, что сознание и квантовая механика каким-то образом связаны

Эта возможность была допущена в 1930-х годах венгерским физиком Юджином Вигнером.«Отсюда следует, что на квантовое описание объектов влияют впечатления, входящие в мое сознание», – писал он. «Солипсизм может быть логически совместим с современной квантовой механикой».

Уиллер даже питал мысль о том, что присутствие живых существ, которые способны «замечать», преобразовало то, что раньше было множеством возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, сказал Уиллер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала.По его словам, мы живем во «вселенной участия».

По сей день физики не пришли к единому мнению о том, как лучше всего интерпретировать эти квантовые эксперименты, и в какой-то степени то, что вы из них сделаете, зависит (на данный момент) от вас. Но так или иначе, трудно избежать вывода о том, что сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.

Начиная с 1980-х годов британский физик Роджер Пенроуз предположил, что связь может работать в другом направлении. Может ли сознание влиять на квантовую механику, сказал он, возможно, квантовая механика участвует в сознании.

Что, если, спросил Пенроуз, в нашем мозгу есть молекулярные структуры, которые способны изменять свое состояние в ответ на единичное квантовое событие. Не могли бы эти структуры затем принять состояние суперпозиции, как частицы в эксперименте с двойной щелью? И могут ли эти квантовые суперпозиции проявиться в способах, которыми нейроны запускаются для связи с помощью электрических сигналов?

Возможно, говорит Пенроуз, наша способность поддерживать, казалось бы, несовместимые психические состояния – это не причуда восприятия, а настоящий квантовый эффект.

Возможно, квантовая механика участвует в сознании

В конце концов, человеческий мозг, кажется, способен управлять когнитивными процессами, которые все еще намного превосходят возможности цифровых компьютеров. Возможно, мы даже сможем выполнять вычислительные задачи, которые невозможны на обычных компьютерах, использующих классическую цифровую логику.

Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты характерны для человеческого познания в своей книге 1989 года « Новый разум императора ». Идея называется Orch-OR, что сокращенно от «оркестрованной объективной редукции».Фраза «объективная редукция» означает, что, как считает Пенроуз, коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, подобным лопнувшему пузырю.

Orch-OR основывается на предположении Пенроуза о том, что гравитация ответственна за то, что повседневные объекты, такие как стулья и планеты, не проявляют квантовых эффектов. Пенроуз считает, что квантовые суперпозиции становятся невозможными для объектов, намного больших, чем атомы, потому что их гравитационные эффекты вынудят сосуществовать две несовместимые версии пространства-времени.

Пенроуз развил эту идею вместе с американским врачом Стюартом Хамероффом. В своей книге « Shadows of the Mind » 1994 года он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми цепями, называемыми микротрубочками. Они находятся в большинстве наших клеток, в том числе в нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждают, что колебания микротрубочек могут принимать квантовую суперпозицию.

Но нет никаких доказательств того, что это возможно хотя бы отдаленно.

Было высказано предположение, что идея квантовых суперпозиций в микротрубочках подтверждается экспериментами, описанными в 2013 году, но на самом деле в этих исследованиях не упоминались квантовые эффекты.

Кроме того, большинство исследователей считают, что идея Orch-OR была опровергнута исследованием, опубликованным в 2000 году. Физик Макс Тегмарк подсчитал, что квантовые суперпозиции молекул, участвующих в нейронной передаче сигналов, не могут существовать даже на долю времени, необходимого для такого сигнал куда угодно.

Другие исследователи нашли доказательства квантовых эффектов у живых существ.

Квантовые эффекты, такие как суперпозиция, легко разрушаются из-за процесса, называемого декогеренцией. Это вызвано взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, через которые «квантовость» утекает.

Ожидается, что декогеренция будет чрезвычайно быстрой в теплой и влажной среде, такой как живые клетки.

Нервные сигналы – это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток.Если один из этих атомов находился в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардную долю секунды. Нейрону требуется, по крайней мере, в десять тысяч триллионов раз больше времени, чтобы передать сигнал.

В результате к представлениям о квантовых эффектах в мозге относятся с большим скептицизмом.

Однако Пенроуза эти аргументы не трогают, и он придерживается гипотезы Orch-OR. И несмотря на предсказание Тегмарка сверхбыстрой декогеренции в клетках, другие исследователи нашли доказательства квантовых эффектов у живых существ.Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, использующими магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахаров в процессе фотосинтеза.

Кроме того, идея о том, что мозг может использовать квантовые уловки, никуда не денется. Ибо теперь есть другой, совершенно другой аргумент в пользу этого.

В исследовании, опубликованном в 2015 году, физик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более устойчивые квантовые суперпозиции.В частности, он считает, что этой способностью могут обладать ядра атомов фосфора.

Атомы фосфора повсюду в живых клетках. Они часто принимают форму фосфат-ионов, 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, называемых АТФ, которые содержат цепочку из трех фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов высвобождается, энергия высвобождается для использования клеткой.

Клетки имеют молекулярные механизмы для объединения фосфат-ионов в группы и их повторного отщепления. Фишер предложил схему, в которой два иона фосфата могут быть помещены в особую суперпозицию, называемую «запутанным состоянием».

Спины фосфора могут сопротивляться декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках.

Ядра фосфора обладают квантовым свойством, называемым спином, что делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях.В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого.

Другими словами, запутанные состояния на самом деле являются суперпозиционными состояниями, в которых участвует более одной квантовой частицы.

Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов могло бы правдоподобно сопротивляться декогеренции в человеческих временных масштабах. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые колебания, подобные тем, которые постулировали Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от окружающей среды «и почти сразу же декогерируются».Но ядерные спины не очень сильно взаимодействуют со своим окружением.

Тем не менее, квантовое поведение ядерных спинов фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.

Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, называемые «молекулами Познера». Это кластеры из шести ионов фосфата в сочетании с девятью ионами кальция. Есть некоторые свидетельства того, что они могут существовать в живых клетках, хотя в настоящее время это далеко не окончательно.

Я решил … исследовать, как на Земле ион лития может иметь такой драматический эффект при лечении психических заболеваний

В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут сопротивляться декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетки. Это означает, что они могут влиять на работу мозга.

Идея состоит в том, что молекулы Познера могут поглощаться нейронами. Оказавшись внутри, молекулы Познера могут инициировать передачу сигнала другому нейрону, распадаясь и высвобождая свои ионы кальция.

Из-за запутывания в молекулах Познера два таких сигнала могут, в свою очередь, запутаться: можно сказать, своего рода квантовая суперпозиция «мысли». «Если бы в мозге действительно присутствовала квантовая обработка с помощью ядерных спинов, это было бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим практически постоянно», – говорит Фишер.

Впервые ему пришла в голову эта идея, когда он начал думать о душевном заболевании.

«Мое проникновение в биохимию мозга началось, когда я три или четыре года назад решил исследовать, как на Земле ион лития может иметь такой драматический эффект при лечении психических заболеваний», – говорит Фишер.

На данный момент предложение Фишера – не более чем интригующая идея.

Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто толком не знает как.

«Я не искал квантового объяснения», – говорит Фишер. Но затем он наткнулся на статью, в которой сообщалось, что препараты лития по-разному влияют на поведение крыс в зависимости от того, какая форма – или «изотоп» лития была использована.

На первый взгляд, это было крайне загадочно.С химической точки зрения разные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому, если бы литий действовал как обычное лекарство, все изотопы должны были бы иметь одинаковый эффект.

Но Фишер понял, что ядра атомов разных изотопов лития могут иметь разные спины. Это квантовое свойство может повлиять на действие препаратов лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут «ощущать» и влиять на вращение атомов фосфора и, таким образом, мешать их сцеплению.

Мы даже не знаем, что такое сознание.

Если это правда, это поможет объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство.

На данный момент предложение Фишера – не более чем интригующая идея. Но есть несколько способов проверить его правдоподобие, начиная с идеи, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять свою квантовую когерентность в течение длительных периодов времени. Это то, что Фишер планирует сделать дальше.

Тем не менее, он опасается быть связанным с более ранними идеями о «квантовом сознании», которые он считает в лучшем случае весьма спекулятивными.

Физикам не очень удобно обнаруживать себя внутри своих теорий. Большинство надеется, что сознание и мозг можно исключить из квантовой теории, и, возможно, наоборот. В конце концов, мы даже не знаем, что такое сознание, не говоря уже о теории для его описания.

Мы все знаем, что такое красный, но у нас нет способа передать ощущение правдоподобное обоснование таких вещей, как телепатия и телекинез.

В результате физики часто стесняются даже упоминать слова «квант» и «сознание» в одном предложении.

Но если отбросить это в сторону, у этой идеи долгая история. С тех пор, как «эффект наблюдателя» и разум впервые проникли в квантовую теорию в первые дни, их было чертовски трудно выгнать. Некоторые исследователи думают, что нам, возможно, никогда не удастся этого сделать.

В 2016 году Адриан Кент из Кембриджского университета в Великобритании, один из самых уважаемых «квантовых философов», предположил, что сознание может изменять поведение квантовых систем тонкими, но заметными способами.

Кент очень осторожно относится к этой идее. «Нет веских принципиальных оснований полагать, что квантовая теория является правильной теорией, чтобы попытаться сформулировать теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны иметь какое-либо отношение к проблеме сознания», – признает он.

Каждая линия мысли об отношении сознания к физике сталкивается с серьезными проблемами

Но он говорит, что трудно понять, как описание сознания, основанное исключительно на доквантовой физике, может объяснить все особенности, которые кажутся иметь.

Один особенно загадочный вопрос заключается в том, как наше сознание может испытывать уникальные ощущения, такие как красный цвет или запах жареного бекона. За исключением людей с нарушениями зрения, все мы знаем, что такое красный, но у нас нет способа передать это ощущение, и в физике нет ничего, что говорило бы нам, каким он должен быть.

Подобные ощущения называются квалиа. Мы воспринимаем их как единые свойства внешнего мира, но на самом деле они являются продуктами нашего сознания – и это трудно объяснить.Действительно, в 1995 году философ Дэвид Чалмерс назвал это «трудной проблемой» сознания.

«Каждая линия мысли об отношении сознания к физике сталкивается с серьезными проблемами», – говорит Кент.

Это побудило его предположить, что «мы могли бы добиться некоторого прогресса в понимании проблемы эволюции сознания, если бы предположили, что сознание изменяет (хотя, возможно, очень незначительно и незаметно) квантовые вероятности».

«Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическое ухаживание, но оно никуда не денется.

Другими словами, разум действительно может повлиять на результаты измерений.

С этой точки зрения, это не совсем точное определение того, «что реально». Но это может повлиять на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, допускаемых квантовой механикой, будет той, которую мы действительно наблюдаем, чего не может предсказать сама квантовая теория. Кент говорит, что мы можем искать такие эффекты экспериментально.

Он даже смело оценивает шансы их найти. «Я бы с вероятностью 15% поверил, что что-то конкретное, связанное с сознанием, вызывает отклонения от квантовой теории, с вероятностью 3%, что это будет экспериментально обнаружено в течение следующих 50 лет», – говорит он.

Если это произойдет, это изменит наши представления как о физике, так и о разуме. Кажется, этот шанс стоит изучить.

Присоединяйтесь к более чем шести миллионам поклонников BBC Earth, поставив нам лайк на Facebook или подписавшись на нас в Twitter и Instagram.

Если вам понравился этот рассказ, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com под названием «Если вы прочитаете только 6 статей на этой неделе». Тщательно подобранная подборка историй из BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel и Autos, которые доставляются вам на почту каждую пятницу.

наше исследование предполагает, что объективной реальности не существует

Альтернативные факты распространяются по обществу, как вирус. Теперь кажется, что они даже заразили науку – по крайней мере, квантовую сферу. Это может показаться нелогичным. В конце концов, научный метод основан на надежных понятиях наблюдения, измерения и повторяемости. Факт, установленный путем измерения, должен быть объективным, чтобы все наблюдатели могли с ним согласиться.

Но в статье, недавно опубликованной в Science Advances, мы показываем, что в микромире атомов и частиц, который управляется странными правилами квантовой механики, два разных наблюдателя имеют право на свои собственные факты. Другими словами, согласно нашей лучшей теории строительных блоков самой природы, факты на самом деле могут быть субъективными.

Наблюдатели – влиятельные игроки в квантовом мире. Согласно теории частицы могут находиться сразу в нескольких местах или состояниях – это называется суперпозицией.Но, как ни странно, это только тот случай, когда их не соблюдают. В тот момент, когда вы наблюдаете квантовую систему, она выбирает конкретное место или состояние, нарушая суперпозицию. Тот факт, что природа ведет себя таким образом, был многократно подтвержден в лаборатории – например, в знаменитом эксперименте с двойной щелью (см. Видео ниже).

В 1961 году физик Юджин Вигнер предложил провокационный мысленный эксперимент. Он задался вопросом, что произойдет, если применить квантовую механику к наблюдателю, за которым наблюдают сами.Представьте себе, что друг Вигнера подбрасывает квантовую монету – которая находится в суперпозиции орла и решки – внутри закрытой лаборатории. Каждый раз, когда друг подбрасывает монету, он видит определенный результат. Можно сказать, что друг Вигнера устанавливает факт: в результате подбрасывания монеты определенно оказывается голова или хвост.

Вигнер не имеет доступа к этому факту извне и, согласно квантовой механике, должен описывать друга и монету как суперпозицию всех возможных результатов эксперимента.Это потому, что они «запутаны» – жутко связаны, так что, если вы манипулируете одним, вы также манипулируете другим. Теперь Вигнер может в принципе проверить эту суперпозицию с помощью так называемого «интерференционного эксперимента» – типа квантового измерения, которое позволяет распутать суперпозицию всей системы, подтверждая, что два объекта запутаны.

Позже, когда Вигнер и его друг сравнивают свои записи, друг будет настаивать на том, что они видели определенные результаты для каждого подбрасывания монеты. Вигнер, однако, не соглашается всякий раз, когда он наблюдает за другом и монетой в суперпозиции.

Это загадка. Реальность, воспринимаемая другом, не может быть согласована с реальностью снаружи. Первоначально Вигнер не считал это парадоксом, он утверждал, что было бы абсурдно описывать сознательного наблюдателя как квантовый объект. Однако позже он отошел от этой точки зрения, и, согласно официальным учебникам по квантовой механике, описание является совершенно верным.

Эксперимент

Сценарий долгое время оставался интересным мысленным экспериментом.Но отражает ли это реальность? С научной точки зрения прогресс в этом вопросе был незначительным до недавнего времени, когда Часлав Брукнер из Венского университета показал, что при определенных предположениях идею Вигнера можно использовать для формального доказательства того, что измерения в квантовой механике субъективны для наблюдателей.

Брукнер предложил способ проверки этого понятия, переведя сценарий друга Вигнера в схему, впервые установленную физиком Джоном Беллом в 1964 году. Брукнер рассмотрел две пары Вигнеров и друзей в двух отдельных коробках, проводящих измерения в общем состоянии – внутри и за пределами своего поля.Результаты можно суммировать и в конечном итоге использовать для оценки так называемого «неравенства Белла». Если это неравенство нарушается, у наблюдателей могут быть альтернативные факты.

Мы впервые выполнили этот тест экспериментально в Университете Хериот-Ватт в Эдинбурге на маломасштабном квантовом компьютере, состоящем из трех пар запутанных фотонов. Первая пара фотонов представляет собой монеты, а две другие используются для подбрасывания монеты – измерения поляризации фотонов – внутри соответствующей коробки.За пределами двух ящиков с каждой стороны остается по два фотона, которые также можно измерить.

Исследователи с экспериментом. Автор предоставил

Несмотря на использование современной квантовой технологии, потребовались недели, чтобы собрать достаточно данных всего с шести фотонов для получения достаточной статистики. Но в конце концов нам удалось показать, что квантовая механика действительно может быть несовместима с предположением об объективных фактах – мы нарушили неравенство.

Однако теория основана на нескольких предположениях.К ним относятся то, что на результаты измерений не влияют сигналы, движущиеся со скоростью выше скорости света, и что наблюдатели могут выбирать, какие измерения проводить. Это может быть, а может и не быть.

Другой важный вопрос – можно ли считать одиночные фотоны наблюдателями. Согласно теории Брукнера, наблюдателям не нужно быть сознательными, они должны просто уметь устанавливать факты в форме результатов измерения. Следовательно, неодушевленный детектор мог бы быть подходящим наблюдателем.И учебник по квантовой механике не дает нам оснований полагать, что детектор, который может быть сделан всего в несколько атомов, не следует описывать как квантовый объект, как фотон. Возможно также, что стандартная квантовая механика неприменима в больших масштабах, но проверка этого – отдельная проблема.

Там может быть много миров. Nikk / Flickr, CC BY-SA

Таким образом, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере, для локальных моделей квантовой механики, нам необходимо переосмыслить наше понятие объективности.Факты, с которыми мы сталкиваемся в нашем макроскопическом мире, кажутся безопасными, но возникает главный вопрос о том, как существующие интерпретации квантовой механики могут приспособиться к субъективным фактам.

Некоторые физики рассматривают эти новые разработки как подкрепляющие интерпретации, которые позволяют иметь более одного результата для наблюдения, например, существование параллельных вселенных, в которых происходит каждый результат.