П`ять квантових експериментів, які демонструють ілюзорність реальності
Ніхто в цьому світі не розуміє, що таке квантова механіка. Це, мабуть, найголовніше, що потрібно знати про неї. Звичайно, багато фізиків навчилися використовувати закони і навіть пророкувати явища, засновані на квантових обчисленнях. Але до цих пір неясно, чому спостерігач експерименту визначає поведінку системи і змушує її прийняти одне з двох станів.
Перед вами кілька прикладів експериментів з результатами, які неминуче будуть змінюватися під впливом спостерігача. Вони показують, що квантова механіка практично має справу з втручанням свідомої думки в матеріальну реальність.
Сьогодні існує безліч інтерпретацій квантової механіки, але Копенгагенська інтерпретація, мабуть, є найвідомішою. У 1920-х її загальні постулати були сформульовані Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом.
В основу Копенгагенської інтерпретації лягла хвильова функція. Це математична функція, яка містить інформацію про всіх можливих станах квантової системи, в яких вона існує одночасно. Як стверджує Копенгагенська інтерпретація, стан системи і її положення щодо інших станів може бути визначено тільки шляхом спостереження (хвильова функція використовується тільки для того, щоб математично розрахувати ймовірність знаходження системи в одному або іншому стані).
Можна сказати, що після спостереження квантова система стає класичною і негайно припиняє своє існування в інших станах, крім того, в якому була помічена. Такий висновок знайшов своїх супротивників (згадайте знамените ейнштейнівське «Бог не грає в кості»), але точність розрахунків і прогнозів все ж подіяли.
Проте число прихильників Копенгагенської інтерпретації знижується, і головною причиною цього є таємничий миттєвий колапс хвильової функції в ході експерименту. Знаменитий уявний експеримент Ервіна Шредінгера з бідним котиком повинен продемонструвати абсурдність цього явища. Давайте згадаємо деталі.
Усередині чорного ящика сидить чорний кіт і разом з ним флакон з отрутою і механізм, який може вивільнити отрута випадковим чином. Наприклад, радіоактивний атом під час розпаду може розбити бульбашка. Точний час розпаду атома невідомо. Відомий тільки період напіврозпаду, протягом якого розпад відбувається з імовірністю 50%.
Очевидно, що для зовнішнього спостерігача кіт всередині коробки знаходиться в двох станах: він або живий, якщо все пішло добре, або мертвий, якщо розпад стався і флакон розбився. Обидва цих стану описуються хвильової функцією кота, яка змінюється з плином часу.
Чим більше часу пройшло, тим більша ймовірність того, що радіоактивний розпад трапився. Але як тільки ми відкриваємо коробку, хвильова функція колапсує, і ми відразу ж бачимо результати цього нелюдського експерименту.
Насправді, поки спостерігач не відкриє коробку, кіт буде нескінченно балансувати між життям і смертю, або буде одночасно живий і мертвий. Його доля може бути визначена тільки в результаті дій спостерігача. На цей абсурд і вказав Шредінгер.
1. Дифракція електронів
Згідно з опитуванням знаменитих фізиків, проведеним The New York Times, експеримент з дифракцією електронів є одним з найдивовижніших досліджень в історії науки. Яка його природа? Існує джерело, який випромінює пучок електронів на світлочутливий екран. І є перешкода на шляху цих електронів, мідна пластина з двома щілинами.
Яку картинку можна очікувати на екрані, якщо електрони зазвичай представляються нам невеликими зарядженими кульками? Дві смуги навпаки прорізів в мідній пластині. Але насправді на екрані з`являється куди більш складний візерунок з чергуються білих і чорних смуг. Це пов`язано з тим, що при проходженні через щілину електрони починають вести себе не тільки як частинки, але і як хвилі (так само поводяться фотони або інші легкі частки, які можуть бути хвилею в той же час).
Ці хвилі взаємодіють в просторі, стикаючись і підсилюючи один одного, і в результаті складний малюнок з чергуються світлих і темних смуг відображається на екрані. У той же час результат цього експерименту не змінюється, навіть якщо електрони проходять один за одним - навіть одна частка може бути вільний і проходити одночасно через дві щілини. Цей постулат був одним з основних в Копенгагенської інтерпретації квантової механіки, коли частинки можуть одночасно демонструвати свої «звичайні» фізичні властивості і екзотичні властивості як хвиля.
Але як щодо спостерігача? Саме він робить цю заплутану історію ще більш заплутаною. Коли фізики під час подібних експериментів спробували визначити за допомогою інструментів, через яку щілину фактично проходить електрон, картинка на екрані різко змінилася і стала «класичною»: з двома освітленими секціями строго навпроти щілин, без жодних смуг, що чергуються.
Електрони, здавалося, не хочуть відкривати свою хвильову природу пильному оку спостерігачів. Схоже на таємницю, вкриту мороком. Але є і більш просто пояснення: спостереження за системою не може здійснюватися без фізичного впливу на неї. Це ми обговоримо пізніше.
2. Підігріті фулерени
Експерименти по дифракції частинок проводилися не тільки з електронами, але і іншими, набагато більш великими об`єктами. Наприклад, використовувалися фулерени, великі і закриті молекули, що складаються з декількох десятків атомів вуглецю. Нещодавно група вчених з Віденського університету під керівництвом професора Цайлінгер намагалася включити елемент спостереження в ці експерименти. Щоб зробити це, вони опромінювали рухаються молекули фулеренів лазерними променями. Потім, нагріті зовнішнім джерелом, молекули починали світитися і неминуче відображати свою присутність для спостерігача.
Разом з цим нововведенням змінилося і поведінку молекул. До початку такого всеосяжного спостереження фулерени досить успішно уникали перешкоди (проявляючи хвильові властивості), аналогічно до попереднього прикладу з електронами, що потрапляють на екран. Але з присутністю спостерігача фулерени стали вести себе як абсолютно законослухняні фізичні частинки.
3. Охолоджувальне вимір
Одним з найвідоміших законів в світі квантової фізики є принцип невизначеності Гейзенберга, згідно з яким неможливо визначити швидкість і положення квантового об`єкта одночасно. Чим точніше ми вимірюємо імпульс частинки, тим менш точно ми можемо виміряти її позицію. Однак в нашому макроскопічному реальному світі обгрунтованість квантових законів, що діють на крихітні частинки, зазвичай залишається непоміченою.
Недавні експерименти професора Шваба із США внесок є дуже цінний внесок в цю область. Квантові ефекти в цих експериментах було продемонстровано не на рівні електронів або молекул фулеренів (приблизний діаметр яких становить 1 нм), а на більш великих об`єктах, крихітної алюмінієвої стрічки. Ця стрічка була зафіксована по обидва боки так, щоб її середина знаходилася в підвішеному стані і могла вібрувати під зовнішнім впливом. Крім того, поруч було поміщено пристрій, здатний точно записувати положення стрічки. В результаті експерименту виявилося кілька цікавих речей. По-перше, будь-яке вимірювання, пов`язане з положенням об`єкта, і спостереження за стрічкою впливало на неї, після кожного вимірювання положення стрічки змінювалося.
Експериментатори визначили координати стрічки з високою точністю, і таким чином, відповідно до принципу Гейзенберга, змінили її швидкість, а значить і подальше становище. По-друге, що було досить несподіваним, деякі вимірювання призвели до охолодження стрічки. Таким чином, спостерігач може змінити фізичні характеристики об`єктів одним своєю присутністю.
4. Замерзаючі частки
Як відомо, нестабільні радіоактивні частинки розпадаються не тільки в експериментах з котами, але і самі по собі. Кожна частка має середній термін життя, який, як з`ясовується, може збільшитися під пильним оком спостерігача. Цей квантовий ефект був передбачений ще в 60-х роках, а його блискуче експериментальне доказ з`явилося в статті, опублікованій групою під керівництвом нобелівського лауреата з фізики Вольфганга Кеттерле з Массачусетського технологічного інституту.
У цій роботі вивчався розпад нестабільних збуджених атомів рубідію. Відразу після підготовки системи атоми порушувалися за допомогою лазерного променя. Спостереження проходило в двох режимах: безперервному (система постійно піддавалася невеликим світловим імпульсам) і імпульсному (система час від часу опромінювалася більш потужними імпульсами).
Отримані результати повністю відповідали теоретичним прогнозам. Зовнішні світлові ефекти уповільнюють розпад частинок, повертаючи їх в початковий стан, яке далеко від стану розпаду. Величина цього ефекту також збігалася з прогнозами. Максимальний термін існування нестабільних збуджених атомів рубідію збільшувався в 30 разів.
5. Квантова механіка і свідомість
Електрони і фулерени перестають показувати свої хвильові властивості, алюмінієві пластинки остигають, а нестабільні частинки уповільнюють свій розпад. Пильне око спостерігача буквально змінює світ. Чому це не може бути доказом причетності наших умов до роботи світу? Можливо, Карл Юнг і Вольфганг Паулі (австрійський фізик, лауреат Нобелівської премії, піонер квантової механіки) мали рацію, врешті-решт, коли заявили, що закони фізики і свідомості слід розглядати як доповнюють одна одну?
Ми знаходимося в одному кроці від визнання того, що світ навколо нас - просто ілюзорний продукт нашого розуму. Ідея страшна і приваблива. Давайте спробуємо знову звернутися до фізиків. Особливо в останні роки, коли все менше і менше людей вірять Копенгагенської інтерпретації квантової механіки з її загадковими коллапсами хвильової функції, звертаючись до більш приземленою і надійної декогеренції.
Справа в тому, що у всіх цих експериментах зі спостереженнями експериментатори неминуче впливали на систему. Вони запалювали її за допомогою лазера і встановлювали вимірювальні прилади. Їх об`єднував важливий принцип: ви не можете спостерігати за системою або вимірювати її властивості, які не взаємодіючи з нею. Будь-яка взаємодія є процес модифікації властивостей. Особливо коли крихітна квантова система піддається впливу колосальних квантових об`єктів. Якийсь вічно нейтральний буддист-спостерігач неможливий в принципі. І тут в гру вступає термін «декогеренції», який є незворотнім з точки зору термодинаміки: квантові властивості системи змінюються при взаємодії з іншою великою системою.
Під час цієї взаємодії квантова система втрачає свої первинні властивості і стає класичною, немов «підкоряючись» великої системі. Це пояснює і парадокс кота Шредінгера: кіт - це занадто велика система, тому її не можна ізолювати від решти світу. Сама конструкція цього уявного експерименту не зовсім коректна.
У будь-якому випадку, якщо допустити реальність акту творення свідомістю, декогеренції представляється набагато більш зручним підходом. Можливо, навіть занадто зручним. При такому підході весь класичний світ стає одним великим наслідком декогеренції. І як заявив автор однієї з найвідоміших книг в цій області, такий підхід логічно призводить до заяв типу «в світі немає частинок» або «немає часу на фундаментальному рівні».
У чому правда: в творця-спостерігачі або потужної декогеренції? Нам потрібно вибрати між двох зол. Проте вчені все більше переконуються в тому, що квантові ефекти - прояв наших психічних процесів. І то, де закінчується спостереження і починається реальність, залежить від кожного з нас.
