Квантовая механика имеет дело с реальностью
Реальности не только бесконечны. Они не только возникают в каждый момент, обособляясь, когда ход событий принимает (с нашей точки зрения) один из возможных путей. Они не только существуют параллельно друг другу. Они даже взаимодействуют и даже сталкиваются друг с другом.
По крайней мере, так говорят Майкл Холл и Дирк-Андре Декерт, чья работа, опубликованная в конце 2014 года в журнале Physical Review X, недавно вызвала множество комментариев и споров. Интерпретация квантовая механика, известная как теория многих миров, возникла в умах Хью Эверетта и нескольких других теоретиков в 50-х годах.
С тех пор, несмотря на то, что с ней велась борьба, она продолжает развиваться и является основой для появления все более странных вариантов. И все же это не единственная теория, рожденная в мире квантовой механики, вызывающая возражения со стороны сторонников традиционного реализма и детерминизма.
Эксперимент был проведен в 2013 году в Институте Лауэ-Ланжевена во французских Альпах. После того, что там произошло реальность уже никогда не будет прежним…
Будущее меняет прошлое
1. Источник нейтронов в реакторе Института Лауэ-Ланжевена
Эта среда известна реактором, выбрасывающим рекордно плотные пучки нейтронов (1), с которыми физики экспериментируют всеми способами, какие только могут придумать теоретики. И именно внутри одного из них, особенно экстравагантных, их квантовые свойства, т. е. спины, отделились от нейтронов.
Звучит странно, как будто господин Ковальски пошел одним путем, а его политические взгляды – другим. Какой бы необычной она ни была, физики-теоретики предвосхитили ее почти десятилетие назад.
Явлению даже дали образное название в честь Чеширского кота из «Алисы в стране чудес», который потускнел, но его улыбка все время оставалась видимой. Квантовая механикаутверждения, которые не смог оспорить ни один эксперимент с момента его создания в 20-х годах, основаны на принципах, иногда болезненно противоречащих здравому смыслу.
Согласно этим принципам, две частицы могут, например, одновременно находиться в одной и той же точке, вращаться одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки и, конечно, — в самом известном парадоксе, называемом запутанностью, — мгновенно взаимодействовать друг с другом, даже когда они удалены друг от друга на миллиарды световых лет друг от друга.
В квантовом мире есть еще более странная и менее известная загадка. Полвека назад физик Якир Ааронов (2) задался вопросом, должно ли время в квантовой механике идти от прошлого к будущему? Ответ, выраженный языком математики, — просто нет, не должно быть.
В 1964 году Ааронов и его коллеги Питер Бергманн и Джоэл Лебовиц из Йешивского университета в Нью-Йорке предложили новую интерпретацию теории, названную «временно-симметричной». квантовая механика«. Она объяснила, как информация из будущего может заполнить непредвиденные пробелы в настоящем.
Хотя было признано, что концепция Ааронова основана на элегантных уравнениях, ее философские последствия было труднее проглотить. Ааронову нужны были конкретные эксперименты, которые показывали бы, что будущее предприятие может повлиять на события в прошлом.
На протяжении 80-х и 90-х годов Джефф Толлаксен (3) и Ааронов пытались разработать такие эксперименты. По сути, это было примерно три этапа: предварительный отбор (то есть измерения групп частиц), среднее измерение и окончательный пост-отбор, в ходе которого ученые выбирали подмножество частиц, на которых выполнялось третье измерение.
Чтобы обнаружить обратную причинно-следственную связь, поток информации из будущего в настоящее, эксперимент должен был продемонстрировать, что эффекты, измеряемые в среднем отрезке времени, сочетаются с действиями, выполняемыми над подмножеством частиц в более позднее время.
Исследователи предложили проанализировать свойство, называемое вращением, которое соответствует чему-то вроде вращения мяча, но с некоторыми важными отличиями. В квантовом мире частица может вращаться только двумя способами: вверх и вниз, причем каждое направление имеет фиксированное значение (например, 1 и -1).
Сначала ученые измеряют вращение группы частиц в 9.00:9, а затем в 30:10. На следующий день они повторяют действие, на этот раз также проводя третье измерение подмножества частиц около 00:XNUMX. Если бы их прогнозы относительно отсталости были верны, должны были бы произойти видимые изменения.
Другими словами, измерение спина в 9 и 10 часов может вызвать неожиданное увеличение интенсивности вращения, измеренного в центре, то есть в 9:30. Сам эффект не ограничивался бы только вращением. Произойдут также резкие сдвиги в других квантовых величинах.
С годами такие прогнозы носили скорее философский характер, поскольку казалось невозможным провести предложенные эксперименты. Они были основаны на проведении измерений, но физика книги говорила, что они могут разрушить квантовые свойства системы. Другими словами, любая попытка произвести какие-либо измерения в системе разрушит ее хрупкое квантовое состояние.
4. Модель эксперимента: Чеширский кот — кот это нейтрон и улыбка это спин нейтрона
Плохое измерение идет на количество
В 1988 году Ааронов и его коллеги опубликовали статью, в которой заявили, что возможны другие виды измерений, не разрушающие квантовое состояние объектов. Это должно было произойти, когда измерительный прибор взаимодействовал с частицей крайне слабо. Но что-то за что-то.
При слабом воздействии результат измерения будет неопределенным. Решением должен был стать эксперимент, основанный на «слабом измерении» множества частиц с одинаковыми свойствами. Так родилась концепция упомянутого эксперимента Института Лауэ-Ланжевена: Чеширский кот, т.е. нейтроны, которые будут отделяться от своих спинов в интерферометре.
В таком состоянии они были объектами «слабомагнитного измерения», что стало возможным благодаря специалистам Венского технологического университета. После повторного соединения с правильным спином было проведено «сильное измерение», отбирающее только те частицы (пост-отбор), которые ранее имели свойства.
Однако от этого измерения в дальнейшем зависит предварительный отбор, т. е. тип частиц, «входящих» в эксперимент (4). Таким образом, причинно-следственная связь работает в обоих направлениях временной шкалы, как если бы, сдав аттестат о среднем образовании, мы заставили нас начать учиться в старшей школе.
Конечно, эксперимент показывает еще более отдаленную странность реальности. Если можно отделить частицу материи от ее свойств, то что такое «настоящая» реальность? Что мы видим, говоря языком квантовой механики, «решение волновой функции», а может быть, чего мы не видим, потому что наше наблюдение еще не разрушило и не изменило предыдущее состояние?
Некоторые ученые делают далеко идущие выводы из парадоксов времени. Например, целевое состояние Вселенной может влиять на то, что в ней происходит в данный момент, например, изменяя значения физических констант. Если у вселенной есть судьба, она уже «написана».
Так есть ли в нем место для свободы воли? А может быть, все наши выборы и действия, прошлые и будущие, давно зарегистрированы в великой «базе данных», дающей нам лишь иллюзорную свободу? Достижения современной науки приводят к этим, не очень физическим вопросам!
Если концепция множества вселенных, реальностьгде кошка может быть отделена от своей улыбки, и часть ее спины, мир, где события из будущего влияют на прошлое, противоречат нашему здравому смыслу, стоит задуматься, что же такое наше осознание и восприятие реальности?
В 90-х годах великий физик сэр Роджер Пенроуз (5) предложил теорию «организованной объективной редукции», в которой состояния, то, что мы воспринимаем, думаем, чувствуем и запоминаем, вызываются вибрациями клеточных микротрубочек, процессами по сути квантовыми.
Недавние эксперименты Анирбана Бандиопадхая из Института материаловедения в Цукубе, Япония, и Родерика Г. Эккенхоффа из Американского университета в Пенсильвании подтверждают, что такие вибрации действительно происходят в нейронных клетках. Так что квантовые процессы тоже происходят в мозгу. Если так, то трудно понять, почему последствия этого учения вызывают такое сопротивление в человеческом уме?
