Поля и кванты. Квантовая теория В чем суть квантовой теории

Демонстрация, опровергнувшая предположения великого Исаака Ньютона о природе света, была ошеломляюще проста. Это «можно с легкостью повторить, где бы ни сияло солнце», - заявил английский физик Томас Юнг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая то, что сейчас известно, как эксперимент на двух щелях, или опыт Юнга. Юнг не искал сложных путей и не сделал из своего опыта фиглярское шоу. Он просто придумал элегантный и решительный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света на примере обычных подручных материалов, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет сделан из корпускул или частиц.

Опыт Юнга.

Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях) - эксперимент, проведенный Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света.

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Ширина прорезей приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Интерференция света доказывает справедливость волновой теории.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понимание, что свет сделан из крошечных, неделимых единиц или квантов энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, демонстрировавший одиночные фотоны или даже отдельные частицы материи, такие как электроны и нейтроны, заставил человечество задуматься о природе самой реальности. Некоторые даже использовали этот эксперимент для утверждения тезиса, что на квантовый мир влияет человеческое сознание, давая умам пищу для размышления о нашем месте в онтологии Вселенной. Но действительно ли простой эксперимент может вызвать такие изменения в мировоззрении всех и каждого?

Сомнительное понятие измерения

В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Он регистрирует попадание частиц, прошедших сквозь прорези. В случае фотонов это фотопластинка. По логике вещей, следовало бы ожидать, что фотоны должны пройти через одну щель или другую и накапливаться за ними.

Но это не так. Они идут в определенные части экрана, а другие просто избегают, создавая чередующиеся полосы света и темноты - так называемые интерференционные полосы. Они получаются, когда два набора волн перекрывают друг друга. Там, где волны окажутся в одной фазе, из амплитуды сложится и получится усиливающая интерференция - светлые полосы. Когда волны находятся в противофазе, возникает ослабляющая интерференция - темные полосы.

Но есть только один фотон, который пройдет через обе щели. Это похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам себя. Это не вписывается в классическую картинку.

С математической точки зрения, фотон, проходящий через обе щели, - это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией - абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает в обе щели и новые волны исходят из каждой, распространяясь и в конечном итоге сталкиваясь друг с другом. Комбинированную волновую функцию можно использовать для расчета вероятности того, где будет находиться фотон.

Джейкоб Биамонте, Сколтех, - о том, что квантовые компьютеры могут уже сейчас

Фотон с большой вероятностью будет там, где две волновые функции создают усиливающую интерференцию, и вряд ли окажется в областях ослабляющей интерференции. Измерение - в этом случае взаимодействие волновой функции с фотопластиной - называется «коллапсом» волновой функции или редукцией фон Неймана. Этот процесс происходит во время измерения в одном из тех мест, где фотон материализуется.

Редукция фон Неймана (редукция или коллапс волновой функции) - мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении. Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приемом описания.

Не существует того, что не наблюдает человек

Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Перед прохождением света нельзя сказать с уверенностью, где окажется отдельно взятый фотон. Он может появиться в любом месте с ненулевой вероятностью. Невозможно нарисовать траекторию фотона от источника до точки на экране. Траекторию фотона невозможно предугадать, это вам не самолет, летающий по одному и тому же маршруту из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, как и другие ученые, постулировал, что реальность с математической точки зрения не существует, пока отсутствует наблюдатель.

«Идея объективного реального мира, чьи части существуют так же, как и камни или деревья, и независимы от того, наблюдаем мы их или нет, невозможна», - писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двумя щелями, чтобы утверждать, что «ни одно элементарное квантовое явление не является таковым до тех пор, пока оно не будет засвидетельствовано окружающими («наблюдаемым», «наглядным»).

Вернер Карл Гейзенберг является автором ряда фундаментальных трудов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределенностей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим.

В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга - Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил. Во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта.

Джон Арчибальд Уилер ввел несколько терминов (квантовая пена, замедление нейтронов), включая два впоследствии широко распространившихся в науке и научной фантастике - черная дыра и кротовая нора.

Но квантовая теория совершенно не формулирует, что должно представлять собой «измерение». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где эта тонкая грань между классическим и ложным измерением. Это порождает появление сторонников идеи, что человеческое сознание и вызывает коллапс волновой функции. В мае 2018 года Генри Стапп и его коллеги утверждали: эксперимент с двумя щелями и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть незаменим» для осмысления квантовой теории и идеи того, что разум каждого человека лежит в основе материального мира.

Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать - это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции - благодаря сомнительному процессу, называемому измерением. Это все, что можно сделать.

Вне зависимости от человека

Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля - Бома , которая утверждает, что реальность - это и волна, и частица. А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую. Поэтому каждый фотон имеет траекторию. Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели. Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов. Изображение: thequantumphysics

В дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций теория де Бройля - Бома постулирует реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой. В ней волновая функция определяется для обеих щелей, но каждая частица имеет четко определенную траекторию, которая проходит точно через одну щель. Итоговое положение частицы на детекторном экране и щель, через которую она проходит, определяется начальным положением частицы. Такое исходное положение непознаваемо или неуправляемо со стороны экспериментатора, так что есть видимость случайности в закономерности детектирования.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели. В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения. Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля - Бома объясняет поведение квантового мира.

Биркбек (Лондонский университет) - исследовательское и образовательное учреждение с вечерней формой обучения, специализирующееся в предоставлении высшего образования. Является составной частью Лондонского университета.

Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие.

Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом. Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели. Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем 800 атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло. Поиск критического значения продолжается.

У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. Дирк Боумистер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре тестирует идею Пенроуза с помощью эксперимента Юнга.

По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию - в двух местах одновременно. По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей. Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза.

Квантовый компьютер раскроет загадки генетики

Если не произойдет что-либо революционное, эти эксперименты покажут, что мы пока не можем претендовать на абсолютное познание природы реальности. Даже если попытки мотивированы математически или философски. И выводы нейробиологов и философов, не согласных с природой квантовой теории и утверждающих, что коллапс волновых функций имеет место быть, в лучшем случае преждевременны, а в худшем - ошибочны и лишь вводят всех в заблуждение.

Основные положения квантовой теории поля: 1). Вакумное состояние. Нерелятивистская квантовая механика позволяет изучать поведение неизменного числа элементарных частиц. Квантовая теория поля учитывает рождение и поглощение или уничтожение элементарных частиц. Поэтому квантовая теория поля содержит два оператора: оператор рождения и оператор уничтожения элементарных частиц. Согласно квантовой теории поля невозможно состояние, когда нет ни поля, ни частиц. Вакуум – это поле, в своем наинизшем энергетическом состоянии. Для вакуума хар-ны не самостоятельные, наблюдаемые частицы, а виртуальные частицы, которые возникают, а через некоторое исчезают. 2.) Виртуальный механизм взаимодействия элементарных частиц. Элементарные частицы взаимодействуют с друг другом по следством полей, но если частица не изменяет своих параметров, она не может испустить или поглотить настоящий квант взаимодействия, такой энергии и импульса и на такое время и расстояние, которое определяются соотношениями ∆E∙∆t≥ħ, ∆рх∙∆х≥ħ(постоянная кванта) соотношение неопределенностей. Природа виртуальных частиц такова, что они возникнут через некоторое время, исчезают или поглощаются. Амер. Физик Фейнман разработал графический способ изображения взаимодействия элементарных частиц с виртуальными квантами:

Испускание и поглощение виртуального кванта свободной частицы

Взаимодействие двух элемен. частиц по средствам одного виртуального кванта.

Взаимодействие двух элемен. частиц по средствам двух виртуального кванта.

На данных рис. Графич. изображение частиц, но не их траекторий.

3.) Спин – является важнейшей хар-кой квантовых объектов. Это собственный момент импульса частицы и если момент импульса волчка совпадает с направление оси вращения, то спин не определяет какого- то определенного выделенного направления. Спин задает направленность, но вероятностным образом. Спин существует в форме, которой нельзя придать наглядный вид. Спин обозначается s=I∙ħ, причем I принимает как целочисленные значения I=0,1,2,…, так и получисленные значения I = ½, 3/2, 5/2,… В классической физике одинаковые частицы пространственно не различны, т.к. занимают одну и туже область пространства, вероятность нахождения частицы какой-либо области пространства определяется квадратом модуля волновой функции. Волновая функция ψ, является характеристикой всех частиц. ‌‌. соответствует симметричности волновых функций, когда частицы 1 и 2 тождественны и их состояния одинаковы. случай антисимметричности волновых функций, когда частицы 1 и 2 тождественны друг другу, но различаются по одному из квантовых параметров. Например: спином. Согласно принципу запрета Пауля, частицы, обладающие полуцелым спином, не могут находиться в одном и том же состоянии. Этот принцип позволяет описать структуру электронных оболочек атомов и молекул. Те частицы, которые обладают целым спином, называются бозонами. I =0 у Пи-мезонов; I =1 у фотонов; I = 2 у гравитонов. Частицы, обладающие получисленным спином, называются фермионами . У электрона, позитрона, нейтрона, протона I = ½. 4) Изотопический спин. Масса нейтрона всего лишь на 0,1% больше массы протона, если абстрагироваться (не учитывать) электрический заряд, то можно считать эти две частицы двумя состояниями одной и той же частицы, нуклона. Аналогично имеются - мезоны, но это не три самостоятельные частицы, а три состояния одной и той же частицы, которые называются просто Пи – мезоном. Для учета сложности или мультиплетности частиц вводится параметр, который называется изотопическим спином. Он определяется из формулы n = 2I+1, где n – число состояний частицы, например для нуклона n=2, I=1/2. Проекцией изоспина обозначаются Iз = -1/2; Iз = ½, т.е. протон и нейтрон образуют изотопический дублет. Для Пи – мезонов число состояний = 3, т. е n=3, I =1, Iз=-1, Iз=0, Iз=1. 5) Классификация частиц: важнейшей хар-кой элементарных частиц является масса покоя, по этому признаку частицы делятся на барионы (пер. тяжелый), мезоны (от греч. Средний), лептоны (от греч. легкий). Барионы и мезоны по принципу взаимодействия относятся еще к классу адронов (от греч. сильный), поскольку эти частицы участвуют в сильном взаимодействии. К барионам относятся: протоны, нейтроны, гипероны из названных частиц стабильным является только протон, все барионы – фермионы, мезоны являются бозонами, являются не стабильными частицами, участвуют во всех типах взаимодействий, так же как и барионы, к лептонам относятся: электрон, нейтрон, эти частицы являются фермионами, не участвуют в сильных взаимодействиях. Особо выделяется фотон, который не относится к лептонам, а также не относится к классу адронам. Его спин = 1, а масса покоя = 0. Иногда в особый класс выделяют кванты взаимодействия, мезон – квант слабого взаимодействия, глюон – квант гравитационного взаимодействия. Иногда в особый класс выделяют кварки, обладающие дробным электрическим зарядом равен 1/3 или 2/3 электрического заряда.6) Типы взаимодействия. В 1865 году была создана теория электромагнитного поля (Максвелла). В 1915 году была создана теория гравитационного поля Эйнштейном. Открытия сильных и слабых взаимодействий относится к первой трети 20 века. Нуклоны крепко связаны в ядре между собой сильными взаимодействиями, которые названы сильными. В 1934 году Ферме создал первую достаточно адекватную экспериментальным исследованием теорию слабых взаимодействий. Эта теория возникла после открытия радиоактивности, пришлось предположить, что в ядрах атома возникают незначительные взаимодействия, которые приводят к самопроизвольному распаду тяжелых химических элементов как уран, при этом излучаются - лучи. Ярким примером слабых взаимодействий являются проникновение частиц нейтронов сквозь землю в то время, как у нейтронов проникающая способность намного скромнее, они задерживаются свинцовым листом, толщиной нескольких сантиметров. Сильные: электромагнитные. Слабые: гравитационные = 1: 10-2: 10-10:10-38. Отличие электромаг. и гравит. Взаимодействий, в том, что они плавно убывают с увеличением расстояния. Сильные и слабые взаимодействия ограничены очень малыми расстояниями: 10-16 см для слабых, 10-13 см для сильных. Но на расстояние < 10-16 см слабые взаимодействия уже не являются малоинтенсивными, на расстоянии 10-8 см господствуют электромагнитные силы. Адроны взаимодействуют с помощью кварков. Переносчиками взаимодействия между кварками являются глюоны. Сильные взаимодействия появляются на расстояниях 10-13 см, т. Е. глюоны являются короткодействующими и способны долететь такие расстояния. Слабые взаимодействия осуществляются с помощью полей Хиггса, когда взаимодействие переносится с помощью квантов, которые называются W+,W- - бозоны, а также нейтральные Z0 – бозоны(1983 год). 7) Деление и синтез атомных ядер. Ядра атомов состоят из протонов, которые обозначаются Z и нейтронов N, общее число нуклонов обозначается буквой – А. А= Z+N. Чтобы вырвать нуклон из ядра необходимо затратить энергию, поэтому полная масса и энергия ядра меньше суммы асс и энергий всех его составляющих. Разность энергии называется энергия связи: Есв=(Zmp+Nmn-M)c2 энергия связи нуклонов ядре – Есв. Энергия связи, проходящая на один нуклон, называется удельная энергия связи (Есв/А). Максимальное значение удельная энергия связи принимает для ядер атомов железа. У элементов следующих после железа происходит нарастание нуклонов, и каждый нуклон приобретает все больше соседей. Сильные же взаимодействия являются короткодействующими, это приводит к тому, что при росте нуклонов и при значительном росте нуклонов хим. элемент стремится к распаду (естеств. радиоактивности). Запишем реакции, в которых происходит выделение энергии: 1. При делении ядер с большим числом нуклонов : n+U235→ U236→139La+95Mo+2n медленно движущийся нейтрон поглощается U235(ураном) в результате образуется U236 , который делится на 2 ядра La(лаптам) и Мо(молибден), которые разлетаются с большими скоростями и образуются 2 нейтрона, которые способны вызвать 2 такие реакции. Реакция принимает цепной хар-тер для того чтобы масса исходного топлива достигала критической массы.2. Реакция синтеза легких ядер .d2+d=3H+n, если бы люди сумели обеспечить устойчивый синтез ядер, то они избавили бы себя от энергетических проблем. Дейтерий, содержащийся в воде океана, представляет неисчерпаемый источник дешевого ядерного топлива, и синтезу легких элементов не сопутствует интенсивные радиоактивные явления, как при делении ядер урана.

Описывает взаимодействие элементарных частиц на основе универсального понятия квантованного физического поля. На основе данного раздела физики сформировалась классическая теория поля, которая сегодня известна как постоянная Планка.

Замечание 1

Основой изучаемой дисциплины стало представление о том, что абсолютно все элементарные частицы стали квантами соответствующих полей. Понятие квантового поля возникло на основе формирования представлений о традиционном поле, частицах, их синтезе, а также заключений в рамках квантовой теории.

Квантовая теория поля выступает в качестве теории, где есть бесконечное число степеней свободы. Их еще называют физическими полями. Острой проблемой квантовой теории стало создание единой теории, которая объединяла бы все квантовые поля. В Теории в настоящее время самыми фундаментальными полями являются поля, которые связаны с бесструктурными фундаментальными частицами. Этими микрочастицами выступают кварки и лептоны, а также поля, связанные с квантами-переносчиками четырёх фундаментальных взаимодействий. Исследования проводятся с промежуточными бозонами, глюонами и фотонами.

Частицы и поля квантовой теории

Более ста лет назад зародились основные понятия атомной физики, которые со временем получили продолжение в квантовой физике, сформулировав теорию поля. Различают двойственность классической теории. Она сформировалась в начале 20 века. Тогда частицы представлялись как маленькие комочки энергии, сформировавшие материю. Все они двигались согласно известной законам классической механики, о которых ранее подробно изложил в своих работах британский ученый Исаак Ньютон. Затем приложили руку к дальнейшим исследованиям Фарадей и Максвелл. Он сформировали законы динамики электромагнитного поля.

В это же время Планк впервые вводит в физическую науку понятие о порции, кванте, излучении для объяснения закономерностей теплового излучения. Затем физик Альберт Эйнштейн обобщил эту идею Планка о дискретности излучения. Он предположил, что такая дискретность не связывается с определенным механизмом взаимодействия излучения и веществом, а присуща на внутреннем уровне самому электромагнитному излучению. Электромагнитное излучение – это и есть кванты. Подобные теории вскоре получили экспериментальное подтверждение. На их основе были объяснены закономерности фотоэффекта.

Новые открытия и теории

Примерно 50 лет назад ряд физиков нового поколения попытались использовать аналогичный подход в описании гравитационного взаимодействия. Они не только подробно описали все процесса, происходящие в условиях планеты, но и устремили свои взгляды на проблемы возникновения Вселенной, сформулировав теорию Большого взрыва.

Квантовая теория поля стала обобщением квантовой механики. Квантовая механика, наконец, стала ключом к пониманию важнейшей проблемы атома, в том числе открыла двери перед исследованиями другими ученых в постижении загадок микромира.

Квантовая механика позволяет описывать движение электронов, протонов и иных частиц, однако не их порождение или уничтожение. Оказалось, что ее применение верно только для описания систем, в которых остается неизменно число частиц. Была доказана наиболее интересная в электродинамике задача испускания и поглощения электромагнитных волн заряженными частицами. Это соответствует порождению или уничтожению фотонов. Теория оказалась вне рамок компетенции ее исследования.

На основе первоначальных знаний стали приниматься в разработку иные теории. Так в Японии выдвинули квантовую электродинамику как наиболее перспективное и точное направление научной деятельности последних лет. В дальнейшем развитие получило направление хромодинамики и квантовая теория электрослабых взаимодействий.

Квантовая теория поля рассматривает в качестве основных следующие теории:

свободные поля и корпускулярно-волновой дуализм;
взаимодействие полей;
теорию возмущений;
расходимости и перенормировки;
функционального интеграла.

Квантованное свободное поле имеет запас свободной энергии и имеет возможность отдавать ее определенными частями. При уменьшении энергии поля на автоматически означает исчезновение одного фотона другой частоты. Происходит переход поля в иное состояние, при этом происходит уменьшение на одну единицу фотона. После таких последовательных переходов в итоге образуется состояние, где число фотонов равно нулю. Отдача энергии полем становится невозможной.

Поле может существовать в состоянии вакуума. Подобная теория не совсем понятна, но является полностью обоснованной с физической точки зрения. Электромагнитное поле в вакуумном состоянии не может быть поставщиком энергии, однако вакуум вообще никак не может проявить себя.

Определение 1

Физический вакуум - это состояние с необходимыми и значимыми свойствами, проявляющимися в реальных процессах.

Такое утверждение верно для других частиц. И его можно представить как низшее энергетическое положение этих частиц и их полей. Вакуумным при рассмотрении взаимодействующих полей называют низшее энергетическое состояние всей системы данных полей.

Проблемы квантовой теории поля

В квантовой электродинамике исследователи достигли немало успехов, однако не всегда удается понять, как они были показаны. Все эти успехи нуждаются в дальнейшем объяснении. Теория сильных взаимодействий стала формироваться развиваться по аналогии квантовой электродинамики. Тогда роль переносчиков взаимодействия были приписана частицам, что обладают массой покоя. Также существует проблема перенормируемости.

Она не могла рассматриваться как непротиворечивое построение, поскольку в ней появляются бесконечно огромные значения для определенных физических величин и отсутствует понимание того, что же с ними делать. Идея изменения нормировок не только объясняет исследуемые эффекты, но и придает всей теории черты логической замкнутости, устранив из нее расходимости. Ученые сталкиваются с определенными проблемами на различных стадиях исследований. Им будет посвящено немало времени на устранение, поскольку точных показателей до сих пор в квантовой теории поля не существует.

Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике. До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору. Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается. «Идея объективного реального мира, мельчайшие частицы которого существуют объективно в таком же смысле, в котором существуют камни или деревья, вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет, - невозможна», писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двойной щелью, чтобы заявить, что «ни одно элементарное квантовое явление не будет явлением, пока не станет зарегистрированным («наблюдаемым», «доподлинно записанным») явлением».

Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где лежит эта грань между классическим и квантовым, и оставляя открытой дверцу для тех, кто считает, что коллапс вызывает человеческое сознание. В прошлом мае Генри Стапп и его коллеги заявили, что эксперимент с двойной щелью и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть необходимым», чтобы наделять смыслом квантовую сферу, и что в основе материального мира лежит трансперсональный разум.

Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики. Если вероятности всплывают в процессе досылания десятков тысяч идентичных фотонов через двойную щель, теория утверждает, что волновая функция каждого фотона схлопнулась - благодаря нечетко определенному процессу под названием измерение. Вот и все.

Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность - это и волна, и частица. Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно, у каждого фотона есть траектория. Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из Колледжа Брикбек в Лондоне смоделировали предсказание этой теории о траекториях частиц, которые пройдут через двойную щель. За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений. Несмотря на спорность, эксперименты показали, что теория де Бройля-Бома все еще в состоянии объяснить поведение квантового мира.

Что более важно, этой теории не нужны наблюдатели, или измерения, или нематериальное сознание.

Как не нужны и так называемым теориям коллапса, из которых следует, что волновые функции схлопываются случайным образом: чем больше число частиц в квантовой системе, тем вероятнее коллапс. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель. Теории коллапса предсказывают, что когда частицы материи становятся массивнее определенного порога, они больше не могут оставаться в квантовой суперпозиции и проходить через обе щели одновременно, и это уничтожает картину интерференции. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию. Поиск порога продолжается.

У Роджера Пенроуза была собственная версия теории коллапса, в которой чем выше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует до одного состояния или другого из-за гравитационных нестабильностей. И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.

Концептуально идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поставить одну из щелей в суперпозицию и заставить находиться в двух местах одновременно. По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей. Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза.

В любом случае, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких утверждений о природе реальности, даже если эти заявления хорошо подкреплены математически или философски. И учитывая то, что нейробиологи и философы разума не могут договориться о природе сознания, утверждение, что оно приводит к коллапсу волновых функций, будет преждевременным в лучшем случае и ошибочным - в худшем.

А какого мнения придерживаетесь вы? Расскажите в нашем

Наши старания описать реальность — не более, чем игра в кости с попыткой предсказать необходимый результат? Джеймс Оуэн Уэзералл, профессор логики и философии науки университета Ирвин, поразмышлял на страницах Nautil.us о загадках квантовой физики, проблеме квантового состояния и о том, насколько оно зависит от наших действий, знаний и субъективного восприятия реальности, и почему, предсказывая разные вероятности, мы все оказываемся правы.

Физикам хорошо известно, как применять квантовую теорию, – ваш телефон и компьютер тому доказательства. Но знание о том, как что-то использовать, далеко от полного понимания мира, описываемого теорией, и даже от того, что означают различные математические инструменты, которые применяют ученые. Одним из таких математических инструментов, о статусе которого физики уже долго спорят, является «квантовое состояние»ⓘ Квантовое состояние - любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система. В данном случае под «квантовым состоянием» также следует понимать все потенциальные вероятности выпадения того или иного значения при игре в «кости». — Прим. ред. .

Одной из самых поразительных особенностей квантовой теории является то, что ее предсказания вероятностны. Если вы проводите эксперимент в лаборатории и используете квантовую теорию для предсказания результатов различных измерений, в лучшем случае теория может только предсказать вероятность результата: например, 50% за предсказанный результат и 50% за то, что он будет иным. Роль квантового состояния – определить вероятность результатов. Если квантовое состояние известно, вы можете рассчитать вероятность получения любого возможного результата для любого возможного эксперимента.

Представляет ли квантовое состояние объективный аспект реальности или является всего лишь способом характеризовать нас, то есть то, что человек знает о реальности? Этот вопрос активно обсуждался в самом начале изучения квантовой теории и недавно вновь стал актуальным, вдохновив на новые теоретические подсчеты и последовавшие за ними экспериментальные проверки.

«Если изменить лишь только ваши знания, вещи перестанут казаться странными».

Для того чтобы понять, почему квантовое состояние иллюстрирует чьи-то знания, представьте случай, в котором вы вычисляете вероятность. Прежде чем ваш друг бросит игральные кости, вы предполагаете, какой стороной они упадут. Если ваш друг бросает обычную шестигранную кость, вероятность того, что ваше предположение окажется верным, будет равна примерно 17% (одна шестая), что бы вы ни загадали. В этом случае вероятность говорит кое-что о вас, а именно о том, что вы знаете об игральном кубике. Предположим, вы повернулись спиной во время броска, и ваш друг видит результат – пусть это будет шесть, но вам этот результат неизвестен. И пока вы не обернетесь, исход броска остается неопределенным, даже несмотря на то, что вашему другу он известен. Вероятность, представляющая человеческую неуверенность, даже если реальность определена, называется эпистемной , от греческого слова «знание».

Это означает, что вы и ваш друг могли определить разные вероятности, при этом ни один из вас не ошибется. Вы скажете, что вероятность выпадения шестерки на кубике равна 17%, а ваш друг, уже знакомый с результатом, назовет ее равной 100%. Это связано с тем, что вам и другу известны разные вещи, и названные вами вероятности представляют разную степень вашего знания. Единственным неверным предсказанием было бы такое, которое исключает возможность выпадения шестерки вообще.

В течение последних пятнадцати лет физиков волновал вопрос, может ли квантовое состояние оказаться эпистемным таким же образом. Предположим, некоторое состояние материи, например, распределение частиц в пространстве или результат игры в кости, определенно, но вам не известно. Квантовое состояние, согласно такому подходу, является всего лишь способом описания неполноты ваших знаний об устройстве мира. В разных физических ситуациях может быть несколько способов определить квантовое состояние в зависимости от известной информации.