629
Загадка спостерігача. Де починається реальність?
Не один у світі розуміє квантові механіки – це найголовніше знати. Так, багато фізиків навчилися використовувати свої закони і навіть прогнозувати явища за допомогою квантових обчислень. Але ще не зрозуміло, чому наявність спостерігача визначає долю системи і змушує її вибрати одну державу. Ми підібрали приклади експериментів, результат яких неминучий вплив спостерігача, і спробували зрозуміти, які квантові механіки будуть робити з такими втручаннями свідомості в матеріальну реальність.
295 25784
Шродінгер кішка
Сьогодні існує безліч інтерпретацій квантових механіків, найбільш популярних з яких є Копенгаген. Його основні положення у 1920-х роках були сформульовані Нільсом Богором і Вернер Хейзенбергом. І центральним терміном інтерпретації Копенгагена була хвильова функція, яка містить інформацію про всі можливі стани квантової системи, в якій вона одночасно переходить.
За даними інтерпретації Копенгагена можна відрізнити його від відпочинку (потужність хвилі дозволяє математично розрахувати ймовірність виявлення системи в певному стані). Ми можемо сказати, що після спостереження квантова система стає класичною: вона миттєво перестає співіснувати в багатьох штатах одночасно на користь одного з них.
Цей підхід завжди мав супротивників (найменше «Год не грає діце» Альберта Ейнштейна), але точність розрахунків і прогнозів приймала його толь. Тим не менш, у останні роки прихильники Копенгагенської інтерпретації стають меншими і не останню причину цього є таємничий миттєвий обвал хвильової функції при вимірюванні. Відомий думаний експеримент Ервіна Шрьодінгера з поганим котом був розроблений для відображення абсурдності цього явища.
Так, давайте згадувати зміст експерименту. У чорному ящику покласти живу кішку, ампулу отрути і деякий механізм, який може при випадковому введенні отрути в дію. Наприклад, один радіоактивний атом, розпад якого поламає ампулу. Точний час розпаду атома невідомо. Тільки половина життя відомо: час, в якому буде відбуватися з ймовірністю 50%.
Виявляється, що для зовнішнього спостерігача, кішка всередині коробки існує в двох штатах одночасно: це або живо, якщо все добре йде, або мертво, якщо виникне місце розпаду і ампула. Обидва ці стани описують функцію хвилі кота, яка змінюється з часом: чим далі відхиляється, тим швидше за все, що вже відбувався радіоактивний розпад. Але як тільки відкривається вікно, функція хвилі згортається і ми відразу бачимо результат живого експерименту.
Виявляється, доки спостерігач відкриває коробку, кішка назавжди залишить баланс на межі життя і смерті, і визначає її долю тільки дія спостерігача. Це абсурдність, яку Шредінгер вказував. Електронний дифракція
За даними опитування найбільших фізиків, які проводилися Нью-Йорком Times, експеримент з електронною дифракцією, заснували у 1961 році Клаус Дженсоном, став одним з найкрасивіших в історії науки. Яка його точка?
Є джерело, що випромінює потік електронів на екрані фотопластини. І є перешкода на шляху цих електронів - мідна пластина з двома струками. Яку картину можна очікувати на екрані, якщо ви уявите електрони як тільки невеликі заряджені кульки? Два світлих смужок навпроти мух.
По суті, на екрані з'являється набагато складний візерунок змінних чорно-білих смуг. Справа в тому, що при проходженні шламів електрони починають поводитися не як частинки, але як хвилі (просто як фотони, частинки світла, можуть одночасно бути хвилями). Потім ці хвилі взаємодіють в космосі, ослаблення і зміцнення один одного, і в результаті виникає складна картина чергування світла і темних смуг.
У той же час результат експерименту не змінюється, і якщо ви пустили електрони через щілину не в безперервному струмі, але поодинці, навіть одна частинка може одночасно хвилюватися. Навіть один електрон може переходити через два розрізи одночасно (і це ще один важливий момент інтерпретації Копенгагена квантової механіки – об’єкти можуть одночасно експонувати як свої «звичайні» властивості і екзотичні властивості хвиль.
Але що про спостерігача? З ним вже ускладнена історія. Коли в таких експериментах фізики намагалися зафіксувати за допомогою інструментів, через які slit the Electron фактично переходить, картина на екрані змінилася різко і стала «класичною»: дві освітлені ділянки протилежні муки і не чергуються смуги.
Електрони здаються небажаними проявляти свою хвилюючу природу під дивним оком спостерігача. Ми адаптували до його інстинктивного бажання бачити просту і чітку картину. Мистика? Існує набагато простіше пояснень: відсутність нагляду за системою можна здійснювати без фізичного впливу. Але ми повернемося до цього пізніше.
з підігрівом фулерена
Експерименти на дифракції частинок були зроблені не тільки на електронах, але і на значно більших об'єктах. Наприклад, флерени великі, закриті молекули складаються з десятків вуглецевих атомів (наприклад, флерен шістдесят карбонових атомів дуже схожий на форму до футбольного кульки: порожниста сфера, виготовлена з пінгагонів і шестикутників).
Нещодавно група з Університету Відня, під керівництвом професора Зелінґера, спробувала впровадити елемент спостереження в такі експерименти. Для цього вони опромінюють пересувні молекули флерена з лазерним променем. Потім нагрівають зовнішній вплив, молекули почали світитися і таким чином неминуче знайшли своє місце в просторі для спостерігача.
З цією інновацією також змінилася поведінка молекул. Перед початком загального нагляду, поверенеси досить вдало огороджені перешкоди (розміщені властивості хвилі) як електрони з попереднього прикладу, що проходить через екран опака. Але згодом, з появою спостерігача, поверенеси заспокоїлися і почали поводитися як повністю законно-прийняті частинки матерії.
Вимірювання охолодження
Одним з найвідоміших законів квантового світу є принцип невизначеності Heisenberg: неможливо визначити позицію та швидкість квантового об’єкта одночасно. Більш точно ми вимірюємо імпульс частинок, менш точно ми можемо виміряти його позицію. Але дія квантових законів на рівні крихітних частинок зазвичай невидима в нашому світі великих макрооб'єктів.
Таким чином, більш цінні останні експерименти групи професора Шваб з США, в яких квантові ефекти були продемонстровані не на рівні тих же електронів або повноенних молекул (характерний діаметр близько 1 нм), але на трохи більш відчутному об'єкті – крихітна алюмінієва смуга.
Ця смуга була закріплена по обидва боки, щоб її середина була підвішена і могла перемогти під зовнішнім впливом. Крім того, поруч зі смугою був пристрій, який може точно записувати його позицію.
В результаті експерименти знайшли два цікавих ефектів. По-перше, будь-який вимір положення об'єкта, спостереження смуги не проходив без сліду за ним - після кожного вимірювання положення смуги змінилися. Важко кажучи, експериментери визначали координати смуги з великою точністю і тим самим, за принципом Хайзенберга, змінили її швидкість, а отже, наступну позицію.
По-друге, досить несподівано, деякі вимірювання також привели до охолодження смуги. Виявляється, що спостерігач може лише змінити фізичні характеристики об’єктів за його наявності. Вона звучить досить неймовірною, але до кредиту фізиків кажуть, що вони не плутаються — тепер група професора Шваб думають про те, як застосувати відкритий ефект для охолодження електронних ланцюгів.
Заморожені частки
Як ви знаєте, нестійкі радіоактивні частинки розпаду в світі не тільки заради експериментів на кішках, але цілком на власній. При цьому кожна частинка характеризується середнім життям, яке, виходить, може збільшитися під годинниковим оком спостерігача.
Цей квантовий ефект був вперше прогнозований у 1960-х роках, а його блискуче експериментальне підтвердження з'явився в статті, опублікованому в 2006 році групою Нобелівського лауреата фізика Wolfgang Ketterle of Massachusetts Institute of Technology.
У цій роботі досліджено розпад нестійких збуджених атомів рубідію (знежирення в атоми рубідію в першому стані і фотон). Відразу після підготовки системи слід спостерігати збудження атомів - засвітити їх лазерним променем. При цьому спостереження проводилися в двох режимах: безперервні (маленькі світлові імпульси постійно поставляються в систему) і пульсовані (система опромінюється більш потужними імпульсами від часу до часу).
Результати добре з теоретичними прогнозами. Зовнішнє світло впливає на втрату частинок, так як при поверненні їх до початкового стану, далеко від западу. Темпи впливу на два режими, які навчаються, також збігаються з прогнозами. А максимальне життя нестабільних збуджених атомів рубідію було продовжено до 30 разів.
Квантова механіка і свідомість
Електрон і поверенес перестануть показувати свої хвильові властивості, алюмінієві пластини охолоджуються, а нестійкі частинки замерзають в їх розпаді: під омніпотентним оком спостерігача, світові зміни. Що не свідчить про залучення нашого розуму в роботу світу навколо нас? Так може Карл Jung і Wolfgang Pauli (австрійський фізик, Нобелівський лауреат, один з піонерів квантової механіки) був вірним, коли вони сказали, що закони фізики і свідомості повинні розглядатися як доповнення?
Але існує лише один крок до визнання недійсним: весь світ навколо нас є ілюстрацією нашого розуму. Скарга? «Чи ви дійсно думаєте, що місяць існує тільки тоді, коли ви подивитеся на це?» – Ейнштейн Повернемося до фізиків. Крім того, за останні роки вони менші і менші запобіжники Копенгагенської інтерпретації квантової механіки з його загадковою обертовою хвилею, яка замінюється іншим, досить мундовим і надійним терміном – декогеренція.
Ось те, що в усіх оглядових експериментах описано, експерименти неминучо впливають на систему. Ілюмінований лазером, встановленими вимірювальними приладами. І це загальний, дуже важливий принцип: не можна спостерігати систему, вимірювати його властивості без взаємодії з ним. І де відбувається взаємодія, відбувається зміна властивостей. Особливо коли крихітна квантова система взаємодіє з машинами квантових предметів. Так вічна, буддійська нейтральність спостерігача неможлива.
Це пояснює термін «декогеренція» - незворотний з точки зору термодинаміки процесу порушення квантових властивостей системи в її взаємодії з іншою, великою системою. Під час цієї взаємодії квантова система втрачає свої оригінальні риси і стає класичною, «підприємницею» до великої системи. Це пояснює парадокс кішки Шредедера: кішка така велика система, яку вона просто не може бути ізольована від світу. Дуже складова думаного експерименту не зовсім правильна.
У будь-якому випадку, у порівнянні з реальністю, як акт створення свідомості, декогеренція звучить набагато спокійніше. Може бути навіть занадто тихим. Весь класичний світ стає одним великим ефектом знежирення. І за словами авторів однієї з найсерйозніших книг у галузі, такі підходи також логічно слідувати за заявами, як «не існує частинок у світі» або «не існує часу на фундаментальному рівні. й
Креативний спостерігач або повноважний декогерент? Ви повинні вибрати між двома злами. Але пам'ятайте, тепер вчені все частіше переконані, що основа наших думчих процесів є ті неординарні квантові ефекти. Отже, де починається спостереження і реальність, ми всі повинні вибрати.
з
Теоретично-експериментознавець.ru/posts/8507-quantum-experiment
Джерело:
295 25784
Шродінгер кішка
Сьогодні існує безліч інтерпретацій квантових механіків, найбільш популярних з яких є Копенгаген. Його основні положення у 1920-х роках були сформульовані Нільсом Богором і Вернер Хейзенбергом. І центральним терміном інтерпретації Копенгагена була хвильова функція, яка містить інформацію про всі можливі стани квантової системи, в якій вона одночасно переходить.
За даними інтерпретації Копенгагена можна відрізнити його від відпочинку (потужність хвилі дозволяє математично розрахувати ймовірність виявлення системи в певному стані). Ми можемо сказати, що після спостереження квантова система стає класичною: вона миттєво перестає співіснувати в багатьох штатах одночасно на користь одного з них.
Цей підхід завжди мав супротивників (найменше «Год не грає діце» Альберта Ейнштейна), але точність розрахунків і прогнозів приймала його толь. Тим не менш, у останні роки прихильники Копенгагенської інтерпретації стають меншими і не останню причину цього є таємничий миттєвий обвал хвильової функції при вимірюванні. Відомий думаний експеримент Ервіна Шрьодінгера з поганим котом був розроблений для відображення абсурдності цього явища.
Так, давайте згадувати зміст експерименту. У чорному ящику покласти живу кішку, ампулу отрути і деякий механізм, який може при випадковому введенні отрути в дію. Наприклад, один радіоактивний атом, розпад якого поламає ампулу. Точний час розпаду атома невідомо. Тільки половина життя відомо: час, в якому буде відбуватися з ймовірністю 50%.
Виявляється, що для зовнішнього спостерігача, кішка всередині коробки існує в двох штатах одночасно: це або живо, якщо все добре йде, або мертво, якщо виникне місце розпаду і ампула. Обидва ці стани описують функцію хвилі кота, яка змінюється з часом: чим далі відхиляється, тим швидше за все, що вже відбувався радіоактивний розпад. Але як тільки відкривається вікно, функція хвилі згортається і ми відразу бачимо результат живого експерименту.
Виявляється, доки спостерігач відкриває коробку, кішка назавжди залишить баланс на межі життя і смерті, і визначає її долю тільки дія спостерігача. Це абсурдність, яку Шредінгер вказував. Електронний дифракція
За даними опитування найбільших фізиків, які проводилися Нью-Йорком Times, експеримент з електронною дифракцією, заснували у 1961 році Клаус Дженсоном, став одним з найкрасивіших в історії науки. Яка його точка?
Є джерело, що випромінює потік електронів на екрані фотопластини. І є перешкода на шляху цих електронів - мідна пластина з двома струками. Яку картину можна очікувати на екрані, якщо ви уявите електрони як тільки невеликі заряджені кульки? Два світлих смужок навпроти мух.
По суті, на екрані з'являється набагато складний візерунок змінних чорно-білих смуг. Справа в тому, що при проходженні шламів електрони починають поводитися не як частинки, але як хвилі (просто як фотони, частинки світла, можуть одночасно бути хвилями). Потім ці хвилі взаємодіють в космосі, ослаблення і зміцнення один одного, і в результаті виникає складна картина чергування світла і темних смуг.
У той же час результат експерименту не змінюється, і якщо ви пустили електрони через щілину не в безперервному струмі, але поодинці, навіть одна частинка може одночасно хвилюватися. Навіть один електрон може переходити через два розрізи одночасно (і це ще один важливий момент інтерпретації Копенгагена квантової механіки – об’єкти можуть одночасно експонувати як свої «звичайні» властивості і екзотичні властивості хвиль.
Але що про спостерігача? З ним вже ускладнена історія. Коли в таких експериментах фізики намагалися зафіксувати за допомогою інструментів, через які slit the Electron фактично переходить, картина на екрані змінилася різко і стала «класичною»: дві освітлені ділянки протилежні муки і не чергуються смуги.
Електрони здаються небажаними проявляти свою хвилюючу природу під дивним оком спостерігача. Ми адаптували до його інстинктивного бажання бачити просту і чітку картину. Мистика? Існує набагато простіше пояснень: відсутність нагляду за системою можна здійснювати без фізичного впливу. Але ми повернемося до цього пізніше.
з підігрівом фулерена
Експерименти на дифракції частинок були зроблені не тільки на електронах, але і на значно більших об'єктах. Наприклад, флерени великі, закриті молекули складаються з десятків вуглецевих атомів (наприклад, флерен шістдесят карбонових атомів дуже схожий на форму до футбольного кульки: порожниста сфера, виготовлена з пінгагонів і шестикутників).
Нещодавно група з Університету Відня, під керівництвом професора Зелінґера, спробувала впровадити елемент спостереження в такі експерименти. Для цього вони опромінюють пересувні молекули флерена з лазерним променем. Потім нагрівають зовнішній вплив, молекули почали світитися і таким чином неминуче знайшли своє місце в просторі для спостерігача.
З цією інновацією також змінилася поведінка молекул. Перед початком загального нагляду, поверенеси досить вдало огороджені перешкоди (розміщені властивості хвилі) як електрони з попереднього прикладу, що проходить через екран опака. Але згодом, з появою спостерігача, поверенеси заспокоїлися і почали поводитися як повністю законно-прийняті частинки матерії.
Вимірювання охолодження
Одним з найвідоміших законів квантового світу є принцип невизначеності Heisenberg: неможливо визначити позицію та швидкість квантового об’єкта одночасно. Більш точно ми вимірюємо імпульс частинок, менш точно ми можемо виміряти його позицію. Але дія квантових законів на рівні крихітних частинок зазвичай невидима в нашому світі великих макрооб'єктів.
Таким чином, більш цінні останні експерименти групи професора Шваб з США, в яких квантові ефекти були продемонстровані не на рівні тих же електронів або повноенних молекул (характерний діаметр близько 1 нм), але на трохи більш відчутному об'єкті – крихітна алюмінієва смуга.
Ця смуга була закріплена по обидва боки, щоб її середина була підвішена і могла перемогти під зовнішнім впливом. Крім того, поруч зі смугою був пристрій, який може точно записувати його позицію.
В результаті експерименти знайшли два цікавих ефектів. По-перше, будь-який вимір положення об'єкта, спостереження смуги не проходив без сліду за ним - після кожного вимірювання положення смуги змінилися. Важко кажучи, експериментери визначали координати смуги з великою точністю і тим самим, за принципом Хайзенберга, змінили її швидкість, а отже, наступну позицію.
По-друге, досить несподівано, деякі вимірювання також привели до охолодження смуги. Виявляється, що спостерігач може лише змінити фізичні характеристики об’єктів за його наявності. Вона звучить досить неймовірною, але до кредиту фізиків кажуть, що вони не плутаються — тепер група професора Шваб думають про те, як застосувати відкритий ефект для охолодження електронних ланцюгів.
Заморожені частки
Як ви знаєте, нестійкі радіоактивні частинки розпаду в світі не тільки заради експериментів на кішках, але цілком на власній. При цьому кожна частинка характеризується середнім життям, яке, виходить, може збільшитися під годинниковим оком спостерігача.
Цей квантовий ефект був вперше прогнозований у 1960-х роках, а його блискуче експериментальне підтвердження з'явився в статті, опублікованому в 2006 році групою Нобелівського лауреата фізика Wolfgang Ketterle of Massachusetts Institute of Technology.
У цій роботі досліджено розпад нестійких збуджених атомів рубідію (знежирення в атоми рубідію в першому стані і фотон). Відразу після підготовки системи слід спостерігати збудження атомів - засвітити їх лазерним променем. При цьому спостереження проводилися в двох режимах: безперервні (маленькі світлові імпульси постійно поставляються в систему) і пульсовані (система опромінюється більш потужними імпульсами від часу до часу).
Результати добре з теоретичними прогнозами. Зовнішнє світло впливає на втрату частинок, так як при поверненні їх до початкового стану, далеко від западу. Темпи впливу на два режими, які навчаються, також збігаються з прогнозами. А максимальне життя нестабільних збуджених атомів рубідію було продовжено до 30 разів.
Квантова механіка і свідомість
Електрон і поверенес перестануть показувати свої хвильові властивості, алюмінієві пластини охолоджуються, а нестійкі частинки замерзають в їх розпаді: під омніпотентним оком спостерігача, світові зміни. Що не свідчить про залучення нашого розуму в роботу світу навколо нас? Так може Карл Jung і Wolfgang Pauli (австрійський фізик, Нобелівський лауреат, один з піонерів квантової механіки) був вірним, коли вони сказали, що закони фізики і свідомості повинні розглядатися як доповнення?
Але існує лише один крок до визнання недійсним: весь світ навколо нас є ілюстрацією нашого розуму. Скарга? «Чи ви дійсно думаєте, що місяць існує тільки тоді, коли ви подивитеся на це?» – Ейнштейн Повернемося до фізиків. Крім того, за останні роки вони менші і менші запобіжники Копенгагенської інтерпретації квантової механіки з його загадковою обертовою хвилею, яка замінюється іншим, досить мундовим і надійним терміном – декогеренція.
Ось те, що в усіх оглядових експериментах описано, експерименти неминучо впливають на систему. Ілюмінований лазером, встановленими вимірювальними приладами. І це загальний, дуже важливий принцип: не можна спостерігати систему, вимірювати його властивості без взаємодії з ним. І де відбувається взаємодія, відбувається зміна властивостей. Особливо коли крихітна квантова система взаємодіє з машинами квантових предметів. Так вічна, буддійська нейтральність спостерігача неможлива.
Це пояснює термін «декогеренція» - незворотний з точки зору термодинаміки процесу порушення квантових властивостей системи в її взаємодії з іншою, великою системою. Під час цієї взаємодії квантова система втрачає свої оригінальні риси і стає класичною, «підприємницею» до великої системи. Це пояснює парадокс кішки Шредедера: кішка така велика система, яку вона просто не може бути ізольована від світу. Дуже складова думаного експерименту не зовсім правильна.
У будь-якому випадку, у порівнянні з реальністю, як акт створення свідомості, декогеренція звучить набагато спокійніше. Може бути навіть занадто тихим. Весь класичний світ стає одним великим ефектом знежирення. І за словами авторів однієї з найсерйозніших книг у галузі, такі підходи також логічно слідувати за заявами, як «не існує частинок у світі» або «не існує часу на фундаментальному рівні. й
Креативний спостерігач або повноважний декогерент? Ви повинні вибрати між двома злами. Але пам'ятайте, тепер вчені все частіше переконані, що основа наших думчих процесів є ті неординарні квантові ефекти. Отже, де починається спостереження і реальність, ми всі повинні вибрати.
з
Теоретично-експериментознавець.ru/posts/8507-quantum-experiment
Джерело:
