Група експериментаторів, очолювана відомим фізиком Робертом Бойдом (який, зокрема, був першим, хто здійснив «уповільнення світла» при кімнатній температурі), придумала і реалізувала схему, що демонструє внесок так званих «некласичних» траєкторій у картину, одержувану при інтерференції. щілини.

Інтерференція на двох щілинах – це класичний експеримент, що демонструє хвилеві властивості світла. Вперше він був здійснений у самому початку XIXстоліття Томасом Юнгом, і став однією з головних причин відмови від домінуючої тоді корпускулярної теорії світла.

На початку XX століття, однак, було з'ясовано, що світло все ж таки складається з частинок, що отримали назву фотонів, але ці частинки загадковим чином володіють і хвильовими властивостями. Виникла концепція корпускулярно-хвильового дуалізму, що була поширена також і на частинки матерії. Зокрема, наявність хвильових властивостей було виявлено в електронів, а пізніше і атомів і молекул.

У новому розділі фізики, що виник у результаті, - квантової механіки - виникнення інтерферометричної картини в експерименті з двома щілинами грає одну з центральних ролей. Так, Річард Фейнман у своїх «Фейнманівських лекціях з фізики» пише, що це явище, «яке неможливо, абсолютно, абсолютно неможливо пояснити класичним чином. У цьому явищі таїться сама суть квантової механіки.»

Експеримент із двома щілинами демонструє одне з центральних понять квантової фізики – квантову суперпозицію. Принцип квантової суперпозиції стверджує, що якщо якийсь квантовий об'єкт (наприклад, фотон або електрон) може знаходитися в певному стані 1 і в певному стані 2, то він може бути і в стані, яке є в певному сенсі частково і станом 1, і станом 2 , цей стан і називається суперпозицією станів 1 і 2. У випадку з щілинами частка може пройти через одну щілину, а може через іншу, але якщо обидві щілини відкриті, то частка проходить через обидві і опиняється в стані суперпозиції «частки, що пройшла через щілину 1 » та «частки, що пройшла через щілину 2».

Крім того, облік некласичних траєкторій важливий для ще одного напряму у сучасній фундаментальній фізиці. Одна з головних невирішених проблем, що стоять перед вченими, – це поєднання квантової теорії з теорією гравітації. Існують принципові складності на цьому шляху, які, як багато хто вважає, можна подолати тільки видозмінивши або одну з цих теорій, або відразу обидві. Тому зараз йдуть пошуки можливих розбіжностей реальності із передбаченнями цих теорій. Одним із напрямків є пошук відхилень від принципу квантової суперпозиції. Так, наприклад, у 2010 році було опубліковано дослідження, в якому намагалися знайти такі відхилення у трищільному експерименті. Жодних розбіжностей не виявили, але ця стаття спровокувала згадану роботу 2012 року. Один з її висновків полягав саме в тому, що в експерименті 2010 року було використано неправильне розуміння принципу квантової суперпозиції, і це внесло свою частку неврахованої помилки у вимірі. І хоча величина цієї помилки і мала, але і ефект, який шукають вчені, теж може бути невеликий, тому в таких пошуках внесок некласичних траєкторій слід все ж таки враховувати.

Стаття була написана для проекту

print

У дослідженні поведінки квантових частинок вчені з Австралійської національного університетупідтвердили, що квантові частинки можуть поводитися настільки дивно, що здається, що вони порушують принцип причинності.

Цей принцип - один із фундаментальних законів, який мало хто заперечує. Хоча багато хто фізичні величиниі явища не змінюються, якщо ми звернемо час назад (є Т-парними), існує фундаментальний емпірично встановлений принцип: подія А може впливати на подію Б, тільки якщо подія Б сталася пізніше. З погляду класичної фізики - пізніше, з погляду СТО - пізніше у системі відліку, тобто, перебуває у світловому конусі з вершиною в А.

Поки що тільки фантасти борються з «парадоксом убитого дідуся» (згадується розповідь, у якій виявилося, що дідусь взагалі був ні до чого, а треба було займатися бабусею). У фізиці подорож у минуле зазвичай пов'язана з подорожжю швидше за швидкість світла, а з цим поки що було все спокійно.

Окрім одного моменту – квантової фізики. Там взагалі багато дивного. Ось, наприклад, класичний експеримент із двома щілинами. Якщо ми помістимо перешкоду зі щілиною на шляху джерела частинок (наприклад, фотонів), а за ним поставимо екран, то на екрані побачимо смужку. Логічно. Але якщо ми перешкодимо дві щілини, то на екрані ми побачимо не дві смужки, а картину інтерференції. Частинки, проходячи крізь щілини, починають поводитися, як хвилі, і інтерферують одна з одною.

Щоб унеможливити те, що частинки на льоту стикаються один з одним і тому не малюють на нашому екрані дві чіткі смуги, можна випускати їх поодинці. І все одно, за якийсь час на екрані намальується інтерференційна картина. Частинки чарівним чином інтерферують самі із собою! Це вже набагато менш логічно. Виходить, що частка проходить відразу через дві щілини - інакше, як вона зможе інтерферувати?

А далі – ще цікавіше. Якщо спробуємо зрозуміти, через яку все-таки щілину проходить частка, то при спробі встановити цей факт частки миттєво починають поводитися, як частинки і перестають інтерферувати самі з собою. Тобто частки практично «відчують» наявність детектора біля щілин. Причому інтерференція виходить не тільки з фотонами або електронами, а навіть із досить великими за квантовими мірками частинками. Щоб виключити можливість того, що детектор якимось чином «псує» частинки, що підлітають, були поставлені досить складні експерименти.

Наприклад, у 2004 році був проведений експеримент з пучком фулеренів (молекул C 70 , що містять 70 атомів вуглецю). Пучок розсіювався на дифракційних гратах, що складається з великої кількості вузьких щілин. При цьому експериментатори могли контрольовано нагрівати молекули, що летять в пучку, за допомогою лазерного променя, що дозволяло змінювати їх внутрішню температуру (середню енергію коливань атомів вуглецю всередині цих молекул).

Будь-яке нагріте тіло випромінює теплові фотони, спектр яких відбиває середню енергію переходів між можливими станами системи. За декількома такими фотонами можна, в принципі, з точністю до довжини хвилі кванта, що випускається, визначити траєкторію молекули, що їх випустила. Чим вище температура і, відповідно, менше довжина хвилі кванта, тим із більшою точністю ми могли б визначити положення молекули в просторі, а за деякої критичної температури точність виявиться достатня для визначення, на якій конкретно щілини відбулося розсіювання.

Відповідно, якби хтось оточив установку досконалими детекторами фотонів, то він, в принципі, міг би встановити, на якій із щілин дифракційної ґрат розвіявся фулерен. Іншими словами, випромінювання молекулою квантів світла дало б експериментатору ту інформацію для поділу компонентів суперпозиції, яку нам давав прогоновий детектор. Проте жодних детекторів навколо установки не було.

В експерименті було виявлено, що без лазерного нагріву спостерігається інтерференційна картина, абсолютно аналогічна картині від двох щілин в досвіді з електронами. Включення лазерного нагрівання призводить спочатку до ослаблення інтерференційного розмаїття, а потім, у міру зростання потужності нагрівання, до повного зникнення ефектів інтерференції. Було встановлено, що при температурах T< 1000K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T >3000K, коли траєкторії фулеренів «фіксуються» навколишнім середовищем з необхідною точністю – як класичні тіла.

Таким чином, роль детектора, здатного виділяти компоненти суперпозиції, виявилася здатною виконувати навколишнє середовище. У ній при взаємодії з тепловими фотонами у тій чи іншій формі та записувалася інформація про траєкторію та стан молекули фулерену. І зовсім не важливо, через що йде обмін інформацією: через спеціально поставлений детектор, навколишнє середовищечи людини.

Для руйнування когерентності станів і зникнення інтерференційної картини має значення лише важливе наявність інформації, якою з щілин пройшла частка - хто її отримає, і отримає, не важливо. Важливо лише, що таку інформацію важливо отримати.

Вам здається, що це найдивніший прояв квантової механіки? Як би не так. Фізик Джон Уіллер запропонував наприкінці 70-х уявний експеримент, який він назвав «експеримент із відкладеним вибором». Міркування його були прості та логічні.

Добре, припустимо, що фотон у якийсь невідомий спосіб дізнається, що його будуть або не намагатимуться виявити, до підльоту до щілин. Адже йому треба якось визначитися - поводитися, як хвиля, і проходити через обидві щілини відразу (щоб надалі вкластися в інтерференційну картину на екрані), або ж прикинутися частинкою, і пройти лише через одну з двох щілин. Але йому це потрібно зробити до того, як він пройде через щілини, чи не так? Після цього вже пізно - там або лети, як маленька кулька, або інтерферуй за повною програмою.

Так давайте, запропонував Віллер, розташуємо екран подалі від щілин. А за екраном ще поставимо два телескопи, кожен з яких буде сфокусований на одній із щілин, і реагуватиме лише на проходження фотона через одну з них. І довільним чином прибиратимемо екран після того, як фотон пройде щілини, як би він їх не вирішив проходити.

Якщо ми не будемо прибирати екран, то, за ідеєю, на ньому завжди має бути картина інтерференції. А якщо ми його прибиратимемо - тоді або фотон потрапить в один з телескопів, як частка (він пройшов через одну щілину), або обидва телескопи побачать слабше світіння (він пройшов через обидві щілини, і кожен з них побачив свою ділянку інтерференційної картини) .

У 2006 році прогрес у фізиці дозволив вченим поставити такий експеримент із фотоном насправді. З'ясувалося, що якщо екран не прибирають, на ньому завжди видно картину інтерференції, а якщо прибирають - завжди можна відстежити, через яку щілину пройшов фотон. Розмірковуючи з погляду звичної нам логіки, ми приходимо до невтішного висновку. Наша дія за рішенням, чи прибираємо екран чи ні, впливало на поведінку фотона, незважаючи на те, що дія знаходиться в майбутньому по відношенню до «рішення» фотона про те, як йому проходити щілини. Тобто, або майбутнє впливає на минуле, або в інтерпретації того, що відбувається в експерименті зі щілинами, є щось неправильне.

Австралійські вчені повторили цей експеримент, тільки замість фотона використовували атом гелію. Важливою відмінністю цього експерименту є той факт, що атом, на відміну від фотона, має масу спокою, а також різні внутрішні ступеня свободи. Тільки замість перешкоди зі щілинами та екраном вони використовували сітки, створені за допомогою лазерних променів. Це дало їм можливість одразу отримувати інформацію про поведінку частки.

Як і слід очікувати (хоча, з квантовою фізикоюнавряд чи варто щось очікувати), атом повівся так само, як фотон. Рішення про те, чи буде існувати на шляху атома «екран», приймалося на підставі роботи квантового генератора випадкових чисел. Генератор був за релятивістськими мірками розділений з атомом, тобто ніякої взаємодії між ними не могло бути.

Виходить, що окремі атоми, що мають масу і заряд, поводяться так само, як окремі фотони. І нехай це не проривний у квантовій області досвід, але він підтверджує той факт, що квантовий світ зовсім не такий, яким ми можемо його собі уявляти.

Інтерференція або експеримент із двома щілинами, згідно з Фейнманом, "укладає в собі серце квантової механіки" і є квінтесенцією принципу квантової суперпозиції. Принцип інтерференції як основний принцип лінійної хвильової оптики вперше чітко сформулював Томас Юнг в 1801 році. Він же вперше в 1803 ввів і термін "інтерференція". Вчений так наочно пояснює відкритий ним принцип (експеримент, відомий у наш час під назвою "двощелинний експеримент Юнга", http://elkin52.narod.ru/biograf/jng6.htm): "Для отримання ефектів накладання двох порцій світла необхідно, щоб вони виходили з одного джерела і приходили в ту саму точку по різних шляхах, але за близькими між собою напрямками.Для відхилення одного або обох частин пучка можна використовувати дифракцію, відображення, заломлення або комбінацію цих ефектів, але найпростіший спосіб, якщо пучок однорідного світла [від першої щілини] (один колір або довжина хвилі) падає на екран, в якому зроблено два дуже маленькі отвори або щілини, які можна розглядати як центри розбіжності, від яких світло завдяки дифракції розсіюється в усіх напрямках. Сучасна експериментальна установка складається з джерела фотонів, діафрагми з двох щілин і екрана, на якому спостерігається інтерференційна картина.

Для вивчення такого явища інтерференції, як на малюнку, звичайно використовувати експериментальну установку, зображену поруч. При вивченні явищ, для опису яких необхідне знання детального балансу кількості руху, очевидно, слід припустити, щоб деякі частини всього приладу могли вільно рухатися (незалежно один від одного). Малюнок із книги: Нільс Бор, "Вибрані наукові праці та статті", 1925 - 1961б с.415.

Після проходження щілин на екрані позаду бар'єру виникає інтерференційна картина з яскравих і темних смуг, що чергуються:

Рис.1 Інтерференційні смуги

Фотони потрапляють на екран в окремих точках, але наявність інтерференційних смуг на екрані показує, що існують точки, які фотони не потрапляють. Нехай р – одна з таких точок. Тим не менш, фотон може потрапити в р, якщо закрити якусь із щілин. Така деструктивна інтерференція, коли альтернативні можливості можуть іноді скорочуватися, одна із найзагадковіших властивостей квантової механіки . Цікавою властивістю експерименту з двома щілинами є те, що інтерференційну картину можна "зібрати" по одній частинці - тобто, встановивши настільки низьку інтенсивність джерела, що кожна частка буде "в польоті" в установці одна і зможе інтерферувати тільки сама з собою. У цьому випадку у нас з'являється спокуса запитати себе, через яку з двох щілин частка пролітає "насправді". Зауважимо, що дві різні частинки інтерференційної картини не створюють. У чому полягає загадковість, суперечливість, абсурдність пояснення явища інтерференції? Вони дуже відрізняються від парадоксальності безлічі інших теорій і явищ, таких як спеціальна теорія відносності, квантова телепортація, парадокс заплутаних квантових частинок та інших. На перший погляд, у поясненнях інтерференції все просто і очевидно. Розглянемо ці пояснення, які можна розділити на два класи: пояснення з хвильовою та пояснення з корпускулярної (квантової) точок зору. Перш ніж ми почнемо аналіз, зазначимо, що під парадоксальністю, суперечливістю, абсурдністю явища інтерференції ми маємо на увазі несумісність опису цього квантовомеханічного явища формальної логіки та здоровому глузду. Сенс цих понять, у якому їх тут застосовуємо, викладено до цієї статті.

Інтерференція з хвильового погляду

Найпоширенішим і бездоганним є пояснення результатів двощілинного експерименту з хвильової точки зору.
"Якщо різниця пройдених хвилями відстаней дорівнює половині непарного числадовжин хвиль, то коливання, зумовлені однією хвилею, досягнуть гребеня у той час, коли коливання інший хвилі досягнуть западини, отже, одна хвиля зменшить обурення, створюване інший, і навіть може його погасити. Це ілюструє рис.2, де показана схема експерименту з двома щілинами, в якому хвилі джерела А можуть досягти лінії ВС на екрані, тільки пройшовши через одну з двох щілин Н1 або Н2 в перешкоді, розташованому між джерелом і екраном. У точці Х на лінії ПС різниця довжин шляхів дорівнює АН1Х - АН2Х; якщо вона дорівнює довжині хвиль, обурення в точці Х буде великим; якщо вона дорівнює половині непарного числа довжин хвиль, обурення у точці Х буде малим. На малюнку показано залежність інтенсивності хвилі від положення точки на лінії ПС, яка пов'язана з амплітудами коливань у цих точках".

Рис.2. Інтерференційна картина з хвильового погляду

Здавалося б, опис явища інтерференції з хвильової погляду жодною мірою не суперечить ні логіці, ні здоровому глузду. Проте фотон вважається квантовою. часткою . Якщо він і виявляє хвильові властивості, то, проте, має залишатися самим собою – фотоном. Інакше, при одному лише хвильовому розгляді явища ми фактично знищуємо фотон як елемент фізичної реальності. За такого розгляду виходить, що фотона як такого... не існує! Фотон не просто виявляє хвильові властивості – тут він і є хвиля, у якій немає нічого від частки. Інакше в момент роздвоєння хвилі ми маємо визнати, що через кожну зі щілин проходить півчастинки – фотона, півфотону. Але тоді мають бути можливі експерименти, здатні "зловити" ці півфотони. Однак нікому і ніколи не вдавалося зареєструвати ці півфотони. Отже, хвильове трактування явища інтерференції виключає саму думку, що фотон - частка. Отже, розглядати в цьому випадку фотон як частинку – абсурдно, нелогічно, несумісно зі здоровим глуздом. За логікою речей нам слід було б припустити, що з точки А фотон вилітає як частка. На підльоті до перешкоди він раптом перетворюєтьсяу хвилю! Проходить через щілини, як хвиля, розділившись на два потоки. Інакше нам треба повірити в те, що одна цілачастка одночасно проходить через дві щілини, оскільки допустити поділїї на дві частинки (половинні) ми маємо права. Далі дві напівхвилі знову з'єднуютьсяу цілу частинку. При цьому не існуєніякої можливості придушити одну з напівхвиль. Начебто є двінапівхвилі, але знищити одну з них нікому не вдалося. Кожного разу кожна з цих напівхвиль під час реєстрації виявляється цілимфотоном. Частина завжди без жодних винятків виявляється цілою. Тобто, уявлення про фотону як про хвилю має допускати можливість "зловити" кожну з напівхвиль саме як половину фотона. Але це не відбувається. Через кожну щілину проходить половина фотона, але реєструється тільки цілий фотон. Половина дорівнює цілому? Не набагато логічніше і розсудливо виглядає і трактування одночасної присутності фотона-частинки у двох місцях одразу. Нагадаємо, що математичне опис хвильового процесу повністю відповідає результатам всіх експериментів з інтерференції на двох щілинах.

Інтерференція з корпускулярної точки зору

З корпускулярної погляду пояснення руху " половинок " фотона зручно використовувати комплексні функції. Ці функції походять з основного поняття квантової механіки - вектора стану квантової частинки (тут - фотона), його хвильової функції, які мають ще одну назву - амплітуда ймовірності. Імовірність того, що фотон потрапить у деяку точку на екрані (фотопластинці) у разі двощілинного експерименту дорівнює квадрату сумарної хвильової функції, для двох можливих траєкторій руху фотона, що утворюють суперпозицію станів. "Коли ми утворимо квадрат модуля суми w+z двох комплексних чисел w і z, ми зазвичай не отримуємо тільки суму квадратів модулів цих чисел; існує додатковий "поправний член": | w + z| 2 = | w | 2 + | 2 + 2|w||z|cos θ, де θ - кут, утворений напрямками на точки z і w з початку координат на площині Аргана... Саме поправний член 2|w||z|cos θ описує квантову інтерференцію між квантовомеханічними альтернативами". Математично все логічно та ясно: за правилами обчислення комплексних виразів ми отримуємо саме таку хвилеподібну інтерференційну криву. Тут не потрібно ніяких трактувань, пояснень - лише рутинні математичні обчислення. Але якщо спробувати уявити, яким все ж таки шляхом, якими траєкторіями рухався фотон (або електрон) до зустрічі з екраном, наведений опис побачити не дозволяє: "Отже, твердження про те, що електрони проходять або крізь щілину 1, або крізь щілину 2, неправильно. Вони проходять через обидві щілини одночасно. І дуже простий математичний апарат, що описує такий процес, дає абсолютно точну згоду з експериментом". Дійсно, математичні вирази з комплексними функціямипрості та наочні. Однак вони описують лише зовнішній прояв процесу, лише його результат, нічого не кажучи про те, що відбувається у фізичному сенсі. Уявити з позицій здорового глузду як одна частка, нехай навіть не має дійсно точкових розмірів, проте обмежена одним нерозривним обсягом, проходить одночасно через два не пов'язані один з одним отвори неможливо. Наприклад, Садбері, аналізуючи явище, пише : " Сама інтерференційна картина теж опосередковано вказує на корпускулярну поведінку досліджуваних частинок, оскільки насправді вона не безперервна, а складена як зображення на екрані телевізора з безлічі точок, створюваних спалахами від окремих електронів. пояснити цю інтерференційну картину на основі припущення, що кожен з електронів пройшов або через одну, або через іншу щілину, абсолютно неможливо. через іншу щілину, відзначаючи її очевидну корпускулярну структуру. Частка не може проходити одночасно через дві щілини, але вона не може пройти і через одну, або через іншу. Безперечно, електрон - частка, про що свідчать точки від спалахів на екрані. І ця частка, безперечно, не могла пройти тільки через одну зі щілин. При цьому електрон, безсумнівно, не був поділений на дві частини, на дві половинки, кожна з яких повинна була мати половинну масу електрона і половинний заряд. Таких напівелектронів ніхто і ніколи не спостерігав. Значить, електрон не міг, поділившись на дві частини, роздвоївшись, одночасно перетнути обидві щілини. Він, як нам пояснюють, залишаючись цілим, одночаснопроходить через дві різні щілини. На дві частини не ділиться, але одночасно через дві щілини проходить. У цьому полягає абсурдність квантово-механического (корпускулярного) описи фізичного процесу інтерференції на двох щілинах. Нагадаємо, що математично цей процес описується бездоганно. Але фізичний процес - абсолютно нелогічно, всупереч здоровому глузду. Причому, як водиться, винний здоровий глузд, який не може усвідомити, як це: на двоє не ділився, але в два місця потрапив. З іншого боку, неможливо припустити і зворотне: що фотон (або електрон) якимось невідомим поки що чином проходить через одну з двох щілин. Чому тоді частка потрапляє в певні точки і уникає інших? Наче вона знає про заборонені зони. Це особливо наочно, коли частка інтерферує сама з собою за низької інтенсивності потоку. І тут доводиться змушено все-таки розглядати одночасність проходження часткою обох щілин. Інакше довелося б розглядати частину мало не як розумну істоту, яка має дар передбачення. Експерименти з прогоновими детекторами чи детекторами на виняток (те, що частка не зафіксована біля однієї щілини, означає, що вона пройшла через іншу) картини не прояснюють. Немає розумних пояснень, як і чому одна цілісна частка реагує на наявність другої щілини, якою вона проходила. Якщо частка не зареєстрована біля однієї зі щілин, то вона пройшла через іншу. Але в цьому випадку вона вже цілком може потрапити в "заборонену" точку екрана, тобто в точку, в яку вона нізащо не потрапила б, якби була друга щілина відкритою. Хоча, здавалося б, ніщо не повинно заважати цим не затриманим частинкам створити "половинну" інтерференційну картину. Однак цього не відбувається: якщо одна із щілин закрита, частинки наче отримують "перепустку" для попадання в "заборонені" області екрана. Якщо ж відкриті обидві щілини, то частка, що нібито пройшла через одну щілину, позбавлена ​​можливості потрапити до цих "заборонених" областей. Вона ніби відчуває, як друга щілина "дивиться" на неї і забороняє рух у певних напрямках. Визнано, що інтерференція виникає лише в дослідах з хвилею або частинками, які виявляють у цьому досвіді лишехвильові властивості. Якимось магічним чином частка виставляє напоказ експериментатору свою хвильову чи корпускулярну сторони, фактично змінюючи їх на ходу, у польоті. Якщо поглинач ставиться відразу після однієї з щілин, то частка як хвиля проходить через обидві щілини аж до поглинача, потім продовжуючи свій політ вже як частинка. При цьому поглинач, як виявляється, не відбирає у частки навіть малої частини енергії. Хоча очевидно, що через перекриту щілину хоча б частина частки таки мала пройти. Як бачимо, жодне з розглянутих пояснень фізичного процесу не витримує критики з логічного погляду та з позиції здорового глузду. Пануючий нині корпускулярно-хвильовий дуалізм навіть частково не дозволяє вмістити інтерференцію. Фотон не просто виявляє або корпускулярні або хвильові властивості. Він виявляє їх одночасно, причому ці прояви взаємно виключаютьодин одного. "Гашення" однієї з напівхвиль відразу перетворює фотон на частинку, яка "не вміє" створювати інтерференційну картину. Навпаки, дві відкриті щілини перетворюють фотон на дві напівхвилі, які потім, з'єднуючись, перетворюються на цілий фотон, демонструючи вкотре загадкову процедуру уречевлення хвилі.

Досліди, подібні до двощілинного експерименту.

В експерименті з двома щілинами дещо важко експериментально контролювати траєкторії руху "половинок" частинок, оскільки щілини знаходяться відносно близько одна від одної. Разом з тим існує схожий, але наочніший експеримент, який дозволяє "розвести" фотон по двох явно помітних траєкторіях. В цьому випадку ще наочніше стає абсурдність уявлень, що фотон одночасно проходить двома каналами, між якими може бути відстань в метри і більше. Такий експеримент можна провести за допомогою інтерферометра Маха-Цандера. Ефекти, що спостерігаються при цьому схожі з ефектами, що спостерігаються у двощілинному експерименті. Ось як їх описує Бєлінський: "Розглянемо експеримент з інтерферометром Маха-Цандера (рис.3). Подамо на нього однофотонний стан і приберемо спочатку другий світлодільник, розташований перед фотодетекторами. Детектори реєструватимуть одиночні фотовідліки або в одному, або в іншому каналі, і ніколи обидва одночасно, тому що на вході – один фотон.

Рис.3. Схема інтерферометр Маха-Цандера.

Повернемо світлодільник. Імовірність фотовідліків на детекторах описується функцією 1 + cos(Ф1 - Ф2), де Ф1 та Ф2 - фазові затримки у плечах інтерферометра. Знак залежить від цього, яким детектором ведеться реєстрація. Цю гармонійну функцію не можна у вигляді суми двох ймовірностей Р(Ф1) + Р(Ф2). Отже, після першого світлодільника фотон присутній як би в обох плечах інтерферометра одночасно, хоча в першому акті експерименту він знаходився лише в одному плечі. Це незвичайне поведінка у просторі і називається квантової нелокальності. Її не можна пояснити з позицій звичних просторових інтуїцій здорового глузду, зазвичай присутніх у макросвіті". Якщо для фотона на вході вільні обидва шляхи, то на виході фотон поводиться як у двощілинному експерименті: може пройти друге дзеркало тільки по одному шляху - інтерферуючи з якоюсь своєю Якщо другий шлях закритий, то фотон приходить на самоті і проходить друге дзеркало в будь-якому напрямку. повинні розташовуватися поблизу один від одного для того, щоб фотон міг пройти крізь них одночасно. Щоб зрозуміти, яким чином квантова частка може бути "у двох місцях відразу" незалежно від того, як далеко один від одного розташовані ці місця, розглянемо експериментальну установку, що трохи відрізняється від експерименту з двома щілинами. Як і раніше, у нас є лампа, що випромінює монохроматичне світло, по одному фотону за раз; але замість того, щоб пропускати світло через дві щілини, відобразимо його від напівпосрібного дзеркала, нахиленого до пучка під кутом 45 градусів.

Рис.4. Два піки хвильової функції не можна вважати просто ймовірнісними вагами локалізації фотона в одному або іншому місці. Два маршрути, які обираються фотоном, можна змусити інтерферувати один з одним.

Після зустрічі з дзеркалом хвильова функція фотона поділяється на дві частини, одна з яких відображається убік, а друга продовжує поширюватися в тому ж напрямку, в якому спочатку рухався фотон. Як і у випадку фотона, що виникає з двох щілин, хвильова функція має два піки, але тепер ці піки рознесені на більшу відстань – один пік описує відбитий фотон, інший – фотон, що пройшов крізь дзеркало. Крім того, з часом відстань між піками стає все більше і більше, збільшуючись безмежно. Уявіть собі, що ці дві частини хвильової функції йдуть у простір, і що ми чекаємо цілий рік. Тоді два піки хвильової функції фотона опиняться на відстані світлового рокуодин від одного. Якимось чином фотон виявляється одразу у двох місцях, розділеним відстанню в один світловий рік! Чи є якась підстава приймати таку картину всерйоз? Хіба ми не можемо розглядати фотон просто як об'єкт, що знаходиться з ймовірністю 50% в одному місці, і з ймовірністю 50% - в іншому! Ні це не можливо! Незалежно від того, як довго фотон знаходився в русі, завжди існує можливість того, що дві частини фотонного пучка можуть бути відображені в зворотному напрямку і зустрітися, внаслідок чого можуть виникнути інтерференційні ефекти, які могли б виникнути з ймовірнісних ваг двох альтернатив. Припустимо, що кожна частина фотонного пучка зустрічає на своєму шляху повністю срібло дзеркало, нахилене під таким кутом, щоб звести обидві частини разом, і що в точці зустрічі двох частин вміщено ще одне напівпосріблене дзеркало, нахилене під таким же кутом, як і перше зерка. Нехай на прямих, вздовж яких розповсюджуються частини фотонного пучка, розташовані два фотоелементи (рис.4). Що ми побачимо? Якби було справедливо, що фотон слід з ймовірністю 50% по одному маршруту і з ймовірністю 50% - по іншому, ми виявили б, що обидва детектори зафіксували б фотон кожен з ймовірністю 50%. Проте насправді відбувається щось інше. Якщо два альтернативні маршрути в точності рівні по довжині, то з ймовірністю 100% фотон потрапить у детектор А, розташований на прямій, уздовж якої спочатку рухався фотон, і з ймовірністю 0 - у будь-який інший детектор В. Іншими словами, фотон з достовірністю потрапить у детектор А! Зрозуміло, такий експеримент ніколи не був поставлений для відстаней порядку світлового року, але сформульований вище результат не викликає серйозних сумнівів (у фізиків, які дотримуються традиційної квантової механіки!). у згоді з квантово-механічними передбаченнями. Що ж тепер можна сказати про реальність існування фотона між першою та останньою зустріччю з напіввідбивним дзеркалом? Напрошується неминучий висновок, згідно з яким фотон повинен у певному сенсі дійсно пройти обидва маршрути одразу! Бо якби на шляху будь-якого з двох маршрутів був поміщений екран, що поглинає, то ймовірності попадання фотона в детектор А або В виявилися б однаковими! Але якщо відкриті обидва маршрути (обидва однакові довжини), то фотон може досягти тільки А. Блокування одного з маршрутів дозволяє фотону досягти детектора! Якщо обидва маршрути відкриті, то фотон якимось чином "знає", що попадання в детектор не дозволяється, і тому він змушений слідувати відразу по двох маршрутах. Зауважимо також, що твердження "знаходиться відразу в двох певних місцях" не повністю характеризує стан фотона: нам необхідно відрізняти стан t + b наприклад, від стану t - b (або, наприклад, від стану t + i b , де ψ t і ψ b тепер ставляться до положень фотона кожному з двох маршрутів (відповідно " минулому " і " відбитому " !)! ). Саме така різниця визначає, чи досягне фотон з достовірністю детектора А, пройшовши до другого напівпосрібного дзеркала, або він з достовірністю досягне детектора (або він потрапить у детектори А і В з деякою проміжною ймовірністю). Ця загадкова особливість квантової реальності, яка полягає в тому, що ми всерйоз повинні брати до уваги, що частка може різними способами "перебувати у двох місцях відразу", випливає з того, що нам доводиться підсумовувати квантові стани, використовуючи комплекснозначні ваги для отримання інших квантових станів. І знову, як бачимо, математичний формалізм повинен нас переконати в тому, що частка знаходиться в двох місцях відразу. Саме частка, а не хвиля. До математичних рівнянь, що описують це явище, безумовно, не може бути претензій. їх з позицій здорового глузду викликає серйозні труднощі та потребує використання понять "магія", "диво".

Причини порушення інтерференції – знання про шлях частки

Одним з основних питань при розгляді явища інтерференції квантової частки є питання причини порушення інтерференції. Як і коли виникає інтерференційна картина, загалом, зрозуміло. Але за цих відомих умов, проте, іноді інтерференційна картина не з'являється. Щось перешкоджає її виникненню. Зарічний так формулює це питання: "що необхідно для спостереження суперпозиції станів, інтерференційної картини? Відповідь на це питання досить зрозуміла: для спостереження суперпозиції ми не повинні фіксувати стан об'єкта. Коли ми дивимося на електрон, то виявляємо, що він проходить або через один отвір , або через інше. Суперпозиції цих двох станів немає! А коли ми на нього не дивимося, він одночасно проходить через дві щілини, і розподіл їх на екрані зовсім не такий, ніж тоді, коли ми на них дивимося!". Тобто порушення інтерференції відбувається внаслідок наявності знання траєкторії руху частки. Якщо нам відома траєкторія частки, то інтерференційна картина не виникає. Bacciagaluppi робить такий висновок: зустрічаються ситуації, у яких інтерференційний член немає, тобто. у яких діє класична формула для обчислення ймовірностей. Це відбувається тоді, коли ми здійснюємо в щілинах детектування, незалежно від нашої віри в те, що вимір пов'язаний із "істинним" колапсом хвильової функції (тобто що тільки одназ компонент піддається виміру та залишає слід на екрані). Понад те, як отримане знання стан системи порушує інтерференцію, а й навіть потенційнаможливість отримати це знання є для інтерференції переважною причиною. Не саме знання, а важлива можливістьдізнатися у майбутньому стан частки руйнують інтерференцію. Дуже наочно це демонструє досвід Ципенюка: "Пучок атомів рубідія захоплюється в магнітооптичну пастку, здійснюється його лазерне охолодження, а потім атомна хмара звільняється і падає під дією гравітаційного поля. При своєму падінні атоми проходять послідовно через дві стоячі світлові хвилі, що утворюють періодичний потенціал, на якому розсіюються частки. Фактично відбувається дифракція атомів на синусоїдальній дифракційної решітки, аналогічно тому, як відбувається дифракція світла на ультразвуковій хвилі рідини. Падаючий пучок А (його швидкість у сфері взаємодії становить лише 2 м/с) розщеплюється спочатку два пучка У і З, потім потрапляє на другу світлову решітку, після якої утворюються дві пари пучків (D, E) і (F, G). Ці дві пари пучків, що перекриваються, в дальній зоні утворюють стандартну інтерференційну картину, що відповідає дифракції атомів на двох щілинах, які розташовані на відстані d, що дорівнює поперечному розбіжності пучків після першої ґрати. який саме траєкторії вони рухалися до утворення інтерференційної картини: "В результаті вторинної взаємодії з мікрохвильовим полем після світлової решітки цей фазовий зсув перетворюється на різну заселеність в пучках В і З атомом з електронним станом |2> і |3>: в пучку В переважно знаходяться атоми може |2>, у пучку З - атоми може |3>. Таким досить витонченим способом, виявилися поміченими атомні пучки, які потім зазнають інтерференцію. Дізнатися про те, якою траєкторією рухався атом, можна потім, визначивши його електронний стан. Слід ще раз підкреслити, що практично жодної зміни імпульсу атома за такої процедури мічення не відбувається. При включенні мікрохвильового випромінювання, яке мітить атоми в пучках, що інтерферують, інтерференційна картина повністю зникає. Слід наголосити, що інформація не зчитувалася, не визначався внутрішній електронний стан. Інформація про траєкторію атомів лише записувалася, атоми запам'ятовували, яким шляхом вони рухалися". Таким чином, бачимо, що навіть створення потенційної можливості для визначення траєкторії частинок, що інтерферують, руйнує інтерференційну картину. Частка не просто не може одночасно проявляти хвильові і корпускулярні властивості, але ці властивості не сумісні навіть частково: або частка веде себе повністю як хвиля, або повністю як локалізована частинка.Якщо ми зробимо "налаштування" частки як корпускули, встановивши її в деякий, властивий корпускулі стан, то при проведенні експерименту для виявлення її хвильових властивостей всі наші налаштування Зауважимо, що ця дивовижна особливість інтерференції не суперечить ні логіці ні здоровому глузду.

Квантоцентрична фізика та Вілер

У центрі квантово-механічної системи сучасності стоїть квант і навколо нього, як у геоцентричній системі Птолемея, обертаються квантові зірки та квантове Сонце. Опис самого, мабуть, простого квантово-механічного експерименту показує, що математика квантової теорії бездоганна, хоча опис власне фізики процесу у ній немає. Головний геройтеорії - квант лише на папері, у формулах має властивості кванта, частки. В експериментах він поводиться зовсім не як частка. Він показує здатність ділиться на дві частини. Його постійно наділяють різними містичними властивостями і навіть порівнюють з казковими персонажами: (Уілер). Ці частини, половинки "великого дракона" Вілера ніколи і ніким не були виявлені, а властивості, якими повинні були б володіти ці половинки квантів, суперечать самій теорії квантів. З іншого боку, кванти поводяться і не зовсім хвилі. Так, вони, здавалося б, "уміють розпадатися" на частини. Але завжди при будь-якій спробі їх зареєструвати миттєво зливаються в одну хвилю, яка раптом виявляється частинкою, що зникла в крапку. Більше того, спроби змусити частинку проявити лише хвильові або лише корпускулярні властивості, зазнають невдачі. Цікавим варіантом загадкових експериментів з інтерференції є експерименти з відкладеним вибором Уілера:

Рис.5. Базовий варіант відкладеного вибору

1. Фотон (або будь-яка інша квантова частка) надсилається у напрямку до двох щілин. 2. Фотон проходить щілини, не спостерігаючи (виявлений), через одну щілину, або іншу щілину, або через обидві щілини (логічно це всі можливі альтернативи). Щоб отримати інтерференцію, ми припускаємо, що щось має пройти через обидві щілини; Щоб отримати розподіл частинок, ми припускаємо, що фотон повинен пройти через одну щілину, або через іншу. Який би вибір фотон не робив, він повинен зробити його в той момент, коли він проходить через щілини. 3. Після проходження щілин фотон рухається до задньої стінки. У нас є два різні способи детектування фотона у задній стінки. 4. По-перше, у нас є екран (або будь-яка інша система детектування, яка здатна розрізняти горизонтальну координату фотона, що впав, але не в змозі визначити, звідки прийшов фотон). Екран можна видалити, як показано штрихованою стрілкою. Він може бути видалений швидко, дуже швидко, після тогояк фотон пройшов дві щілини, але до того, як фотон досягає площини екрана. Іншими словами, екран можна видалити в той час, коли фотон переміщається в області 3. Або ж ми можемо залишити екран на місці. У цьому полягає вибір експериментатора, який відкладається до того моменту, коли фотон пройшов щілини (2), хоч би яким чином він це робив. 5. Якщо екран видалено, ми виявляємо два телескопи. Телескопи дуже добре сфокусовані на спостереженні лише вузьких областей простору навколо однієї щілини кожен. Лівий телескоп спостерігає за лівою щілиною; правий телескоп спостерігає за правою щілиною. (Механізм\метафора телескопа забезпечує нашу впевненість у тому, що якщо ми дивимося через телескоп, ми побачимо спалах світла тільки в тому випадку, якщо фотон обов'язково пройшов - повністю або хоча б частково - через щілину, на яку сфокусований телескоп; інакше ми не побачимо фотон Таким чином, спостерігаючи фотон за допомогою телескопа, ми отримуємо інформацію "який шлях" про фотон, що прийшов.) Тепер уявіть, що фотон знаходиться в дорозі в області 3. Фотон вже пройшов через щілини. Ми ще маємо можливість вибрати, наприклад, залишити екран на місці; у цьому випадку ми не дізнаємося, якою щілину пройшов фотон. Або ми можемо вирішити прибрати екран. Якщо ми видалимо екран, ми очікуємо побачити спалах в одному телескопі або іншому (або в обох, хоча це ніколи не відбувається) для кожного відправленого фотона. Чому? Тому що фотон повинен пройти через одну, або через іншу, або через обидві щілини. Це вичерпує всі можливості. Спостерігаючи за телескопами, ми маємо побачити одне з наступного: спалах у лівого телескопа і ніякого спалаху у правого, що говорить про те, що фотон пройшов через ліву щілину; або спалах у правого телескопа і жодного спалаху у лівого телескопа, що говорить про те, що фотон пройшов через праву щілину; або слабкі спалахи половинної інтенсивності обох телескопів, що свідчить, що фотон пройшов через обидві щілини. Це все здібності. Квантова механіка говорить нам, що ми отримаємо на екрані: криву 4r, яка точно схожа на інтерференцію двох симетричних хвиль, що йдуть від наших щілин. Квантова механіка також каже, що ми отримаємо при спостереженні фотонів телескопами: криву 5r, яка точно відповідає точковим частинкам, що пройшли через ту чи іншу щілину, і потрапили у відповідний телескоп. Звернімо увагу на різницю у конфігураціях нашої експериментальної установки, які визначаються нашим вибором. Якщо ми вибираємо залишити екран на місці, ми отримуємо розподіл частинок, що відповідає інтерференції двох гіпотетичних хвиль від щілин. Ми могли б сказати (хоча і з великим небажанням), що фотон рухався від свого джерела до екрану через обидві щілини. З іншого боку, якщо ми виберемо прибрати екран, ми отримуємо розподіл частинок, сумісний з двома максимумами, які ми отримуємо, якщо спостерігаємо рух точкової частки джерела через одну з щілин до відповідного телескопа. Частина "з'являється" (ми бачимо спалах) в одного телескопа або в іншого, але не в будь-якій точці між ними вздовж напрямку екрана. Підсумовуючи, ми робимо вибір - чи дізнатися нам, якою щілину пройшла частка, - вибираючи чи вибираючи використання детектування телескопів. Ми відкладаємо цей вибір до часу після тогояк частка "пройшла через одну з щілин або обидві щілини", так би мовити. Здається парадоксальним, що наш пізній вибір рішення про те, отримувати таку інформацію чи ні, насправді сам визначає, так би мовити, чи пройшла частка через одну щілину або через обидві. Якщо ви вважаєте за краще міркувати саме так (а я цього не рекомендую), частка демонструє постфактум хвильову поведінку, якщо ви вибрали використовувати екран; також частка демонструє постфактум поведінку як точковий об'єкт, якщо ви вибрали використати телескопи. Таким чином, наш відкладений вибір способу реєстрації частинки, здавалося б, визначає те, як частка насправді поводилася до реєстрації.
(Рос Родес, Класичний експеримент Уїлера з відкладеного вибору, переклад П. В. Куракін,
http://quantum3000.narod.ru/translations/dc_wheeler.htm). Суперечливість моделі кванта вимагає запитати "А, може, він все-таки крутиться?" Чи відповідає реальності модель корпускулярно-хвильового дуалізму? Складається враження, що квант не є ні часткою, ні хвилею.

Чому підстрибує м'яч?

Але чому ми маємо вважати загадку інтерференції головною загадкою фізики? Загадок у фізиці, в інших науках та в житті – безліч. Що такого особливого в інтерференції? У навколишньому світі існує безліч явищ, які лише на перший погляд здаються зрозумілими, поясненими. Але варто пройти крок за кроком за цими поясненнями, як все заплутується, виникає безвихідь. Чим вони гірші за інтерференцію, менш загадкові? Розглянемо, наприклад, таке звичне явище, з яким у житті стикався кожен: підстрибування кинутого на асфальт гумового м'яча. Чому він підскакує, вдарившись об асфальт? Очевидно, що при ударі об асфальт м'яч деформується, стискається. При цьому тиск газу в ньому зростає. Прагнучи розправитися, відновити свою форму, м'яч тисне на асфальт та відштовхується від нього. Ось, здавалося б, і все, причину підстрибування з'ясовано. Проте придивимося уважніше. Для простоти залишимо без розгляду процеси стиснення газу та відновлення форми м'яча. Перейдемо відразу до розгляду процесу у точці дотику м'яча та асфальту. М'яч відскакує від асфальту, оскільки дві точки (на асфальті та на м'ячі) взаємодіють: кожна з них тисне на іншу, відштовхується від неї. Начебто б і тут все просто. Але запитаємо себе: у чому полягає цей тиск? Як воно "виглядає"? Заглибимося в молекулярна будоваречовини. Молекула гуми, з якої виготовлений м'яч, і молекула каменю в асфальті тиснуть один на одного, тобто прагнуть відштовхнути один одного. І знову все начебто просто, але з'являється нове питання: а що є причиною, джерелом явища "сила", яке змушує кожну з молекул рухатися геть, зазнавати примусу до руху від "суперниці"? Очевидно, атоми молекул гуми відштовхуються від атомів, у тому числі складається камінь. Якщо ще коротше, спрощено, то один атом відштовхується від іншого. І знову: чому? Переходимо до атомної будови речовини. Атоми складаються з ядер та електронних оболонок. Знову спростимо завдання і вважатимемо (досить обґрунтовано), що атоми відштовхуються або своїми оболонками, або своїми ядрами, у відповідь отримуючи нове питання: як саме відбувається це відштовхування? Наприклад, електронні оболонки можуть відштовхуватися внаслідок своїх однакових електричних зарядів, оскільки однойменні заряди відштовхуються. І знову: чому? Як це відбувається? Що змушує відштовхуватися один від одного, наприклад, два електрони? Потрібно йти все далі і далі углиб будови речовини. Але вже тут цілком помітно, що будь-яка наша вигадка, будь-яке нове пояснення фізичногомеханізму відштовхування вислизатиме все далі і далі, як горизонт, хоча формальний, математичний опис при цьому завжди буде точним і ясним. І при цьому ми завжди бачитимемо, що відсутність фізичногоопис механізму відштовхування робить цей механізм, проміжну його модель абсурдними, нелогічними, суперечать здоровому глузду. Вони певною мірою спрощені, неповні, але логічні, розумні, осмислені. У цьому полягає відмінність пояснення інтерференції від пояснень багатьох інших явищ: опис інтерференції у своїй суті нелогічно, протиприродно, суперечить здоровому глузду.

Квантова заплутаність, нелокальність, локальний реалізм Ейнштейна

Розглянемо ще одне явище, що вважається таким, що суперечить здоровому глузду. Це одна з найдивовижніших загадок природи - квантова заплутаність (ефект заплутування, entangled, несепарабельність, нелокальність). Суть явища у тому, що дві квантові частки після взаємодії і подальшого поділу (рознесення їх у різні області простору) зберігають певну подобу інформаційного зв'язку друг з одним. Найбільш відомим прикладом є так званий парадокс ЕПР. В 1935 Ейнштейн, Подільський і Розен висловили ідею, що, наприклад, два пов'язані фотони в процесі поділу (розльоту) зберігають таку подібність інформаційного зв'язку. При цьому квантовий стан одного фотона, наприклад, поляризація або спин може миттєво передаватися на інший фотон, який стає аналогом першого і навпаки. Виробляючи вимір над однією частинкою, ми в той же момент миттєво визначаємо і стан іншої частинки, як би далеко ці частинки одна від одної не знаходилися. Таким чином, зв'язок між частинками має принципово нелокальний характер. Сутність нелокальності квантової механіки російський фізикДоронін формулює наступним чином: " Щодо того, що розуміти під нелокальністю в КМ, то в науковому середовищі, я вважаю, склалася деяка узгоджена думка щодо цього. Зазвичай під нелокальністю КМ розуміють ту обставину, що КМ суперечить принципу локального реалізму (його ще часто називають принципом локальності Ейнштейна).Принцип локального реалізму стверджує, що якщо дві системи A та B просторово розділені, тоді при повному описі Зазначимо, що головним становищем локального реалізму в наведеному трактуванні є заперечення взаємного впливу один на одного просторово рознесених систем. Основним становищем ейнштейнівського локального реалізму є неможливість впливу двох просторово рознесених систем одна на одну.Ейнштейн в описаному ЕПР-парадоксі припускав непряму залежність стану частинок.Ця залежність формується в момент заплутування частинок і зберігається до кінця досвіду.Тобто, випадкові стани частинок виникають в момент їх поділу. , і " зберігаються " ці стану деяких елементах фізичної дійсності, описуваних " додатковими параметрами " , оскільки виміри над рознесеними системами що неспроможні впливати друг на друга: " Але одне припущення видається мені безперечним. Реальний стан речей (стан) системи S 2 не залежить від того, що роблять з просторово відокремленою від неї системою S 1 ". "...оскільки під час вимірювання ці дві системи вже не взаємодіють, то в результаті яких би там не було операцій над першою системою, у другій системі вже не може вийти жодних реальних змін". Однак насправді вимірювання у віддалених один від одного системах якимось чином впливають одна на одну. Ален Аспект так описав цей вплив: " i. Фотон ν 1 , який не мав явно певної поляризації перед її виміром, отримує поляризацію, пов'язану з отриманим результатом, під час його виміру: це не дивно. ii. Коли вимір на ν 1 зроблено, фотон ν 2 , який не мав певної поляризації перед цим вимірюванням, проектується стан поляризації, паралельне результату вимірювання на ν 1 . Це дуже дивно, тому що ця зміна в описі 2 відбувається миттєво, безвідносно відстані між 1 і 2 в момент першого вимірювання. Ця картина суперечить відносності. Згідно з Ейнштейном, подія в даній області простору-часу не може перебувати під впливом події, що сталася в просторі-часі, відокремленому просторово-подібним інтервалом. Нерозумно намагатися знайти більш прийнятні картини, щоб "зрозуміти" ЕПР-кореляції. Це така картина, яку ми розглядаємо тепер". Ця картина і отримала назву "нелокальність". З одного боку, нелокальність відображає деякий зв'язок між розділеними частинками, але з іншого боку цей зв'язок, як визнано, не є релятивістським, тобто, хоча вплив вимірювань один на одного поширюється з надсвітловою швидкістю, але при цьому як такої немає жодної передачі між частинками. Виходить, що вплив вимірів один на одного є, але цього впливу немає. З цього робиться висновок, що нелокальність по суті не суперечить спеціальної теорії відносності. Передану (умовну) інформацію між ЕПР-частинами називають іноді "квантової інформацією". Отже, нелокальність - це, протиставлене локальному реалізму (локалізму) Ейнштейна. При цьому для локального реалізму як даність сприймається лише одне: відсутність традиційної (релятивістської) інформації, що передається від однієї частки до іншої. Інакше варто було б говорити про "примарну далекодіяльність", як його назвав Ейнштейн. Придивимося до цього "дальнодії", наскільки воно суперечить спеціальній теорії відносності та самому локальному реалізму. По-перше, "примарна дальнодія" анітрохи не гірша за квантово-механічну "нелокальність". Справді, ні там, ні там немає як такої передачі релятивістської (досвітньошвидкісної) інформації. Тому "дальнодія" так само не суперечить спеціальної теорії відносності, як і "нелокальність". По-друге, примарність "дальнодії" не більш примарна, ніж квантова "нелокальність". Справді, у чому суть нелокальності? У "виході" на інший рівень реальності? Але це ні про що не говорить, а лише допускає різні містичні та божественні розширені тлумачення. Ніякого хоч якогось розумного і розгорнутого фізичногоописи (а тим більше пояснення) нелокальність не має. Є лише проста констатація факту: два виміри корельовані. А що можна сказати про ейнштейнівську "примарну далекодіяльність"? Так само те саме: немає ніякого хоч якогось розумного і розгорнутого фізичного опису, така ж проста констатація факту: два виміри пов'язаніодин з одним. Питання фактично зводиться до термінології: нелокальність або примарна далекодія. І визнання, що ні те, ні інше спеціальної теорії відносності формально не суперечить. Але це означає ні що інше, як несуперечність і локального реалізму (локалізму). Головне його твердження, сформульоване Ейнштейном, безумовно, залишається в силі: у релятивістському сенсі між системами S 2 і S 1 немає жодної взаємодії, гіпотеза про "примарну дальнодію" не вносить у локальний реалізм Ейнштейна жодних протиріч. Нарешті, сама спроба відмовитися від " примарного дальнодействия " у локальному реалізмі логічно потребує такого ж ставлення до її квантово-механічному аналогу - нелокальності. В іншому випадку це стає подвійним стандартом, нічим не обґрунтованим подвійним підходом до двох теорій ("Що дозволено Юпітеру, не дозволено бику"). Навряд чи такий підхід заслуговує на серйозний розгляд. Таким чином, гіпотезу про локальний реалізм Ейнштейна (локалізм) слід сформулювати у більш повному вигляді: "Реальний стан системи S 2 у релятивістському сенсі не залежить від того, що роблять з просторово відокремленою від неї системою S 1 ". З урахуванням цієї невеликої, але важливої ​​поправки втрачають сенс усі посилання на порушення "нерівностей Белла" (див.), як доводи, що спростовують локальний реалізм Ейнштейна, який порушує їх з тим же успіхом, що і квантова механіка.. Як бачимо, у квантовій механіці суть явища нелокальності описується зовнішніми ознаками, але пояснюється його внутрішній механізм, що послужило основою утвердження Ейнштейна про неповноті квантової механіки. Водночас явища заплутаності може мати цілком просте пояснення, яке не суперечить ні логіці, ні здоровому глузду. Оскільки дві квантові частки поводяться так, ніби "знають" про стан один одного, передають одна одній якусь невловиму інформацію, можна висунути гіпотезу, що передача здійснюється якимось "чисто матеріальним" носієм (не речовим). Це питання має глибоке філософське підґрунтя, що відноситься до основ реальності, тобто тієї первинної субстанції, з якої створено весь наш світ. Власне, цю субстанцію і слід назвати матерією, наділивши її властивостями, що виключають пряме її спостереження. Весь навколишній світвитканий з матерії, і спостерігати його ми можемо лише взаємодіючи з цією тканиною, похідною від матерії: речовиною, полями. Не вдаючись у деталі цієї гіпотези, підкреслимо лише, що автор ототожнює матерію та ефір, вважаючи їх двома назвами однієї й тієї самої субстанції. Пояснити устрій світу, відмовляючись від першооснови - матерії, неможливо, оскільки дискретність речовини сама по собі суперечить і логіці та здоровому глузду. Немає розумної та логічної відповіді на питання: що знаходиться між дискретами матерії, якщо матерія є першоосновою всього сущого. Тому припущення наявності у матерії властивості, виявляєтьсяяк миттєва взаємодія віддалених речових об'єктів, цілком логічно та несуперечливо. Дві квантові частинки взаємодіють один з одним на більш глибокому рівні - матеріальному, передаючи один одному більш тонку, невловиму на речовинному рівні інформацію, яка не пов'язана з речовим, польовим, хвильовим або будь-яким іншим носієм, і реєстрація якої безпосередньо неможлива. Явище нелокальності (несепарабельності), хоч і не має явного та ясного фізичного опису (пояснення) в квантової фізики, проте, доступне розумінню та поясненню як реальний процес. Таким чином, взаємодія заплутаних частинок загалом не суперечить ні логіці, ні здоровому глузду і допускає, нехай і фантастичне, але досить струнке пояснення.

Квантова телепортація

Ще одним цікавим та парадоксальним проявом квантової природи матерії вважається квантова телепортація. Термін "телепортація", взятий з наукової фантастики, в даний час широко використовується в науковій літературі і здавалося б викликає враження чогось нереального. Квантова телепортація означає миттєве перенесення квантового стану від однієї частинки до іншої, віддаленої на велику відстань. Проте телепортації самої частки передачі маси при цьому не відбувається. Питання квантової телепортації вперше було поставлено 1993 року групою Беннета, яка, використовуючи феномен ЕПР, показала, що у принципі зчеплені (заплутані) частки можуть бути свого роду інформаційним " транспортом " . За допомогою приєднання третьої - "інформаційної" - частки до однієї з зчеплених частинок, можна передавати її властивості інший, причому навіть без виміру цих властивостей. Реалізація ЕПР-каналу була здійснена експериментально і була доведена здійсненність принципів ЕПР на практиці для передачі через світловоди станів поляризації між двома фотонами за допомогою третього на відстані до 10 кілометрів. Відповідно до законів квантової механіки фотон немає точного значення поляризації, доки вона виміряна детектором. Таким чином, вимірювання перетворює набір всіх можливих поляризацій фотона у випадкове, але конкретне значення. Вимірювання поляризації одного фотона заплутаної пари призводить до того, що у другого фотона, хоч би як далеко він знаходився, миттєво з'являється відповідна - перпендикулярна їй - поляризація. Якщо одного з двох вихідних фотонів "підмішати" сторонній фотон, утворюється нова пара, нова пов'язана квантова система. Вимірявши її параметри, можна миттєво передати скільки завгодно далеко - телепортувати - напрямок поляризації вже не вихідного, а стороннього фотона. У принципі, практично все, що відбувається з одним фотоном пари, має миттєво впливати на інший, змінюючи його властивості цілком певним чином. В результаті вимірювання другий фотон первісної пов'язаної пари також набував деяку фіксовану поляризацію: копія первісного стану "фотона-посланника" передавалася віддаленому фотону. Найбільш складно було довести, що квантовий стан дійсно телепортований: для цього необхідно точно знати, як встановлені детектори при вимірі загальної поляризації, і потрібно було ретельно синхронізувати їх. Спрощено схему квантової телепортації можна уявити так. Алісі та Бобу (умовні персонажі) посилаються по одному фотону з пари заплутаних фотонів. Аліса має у себе частинку (фотон) у (невідомому їй) стані A; фотон з пари і фотон Аліси взаємодіють ("заплутуються"), Аліса здійснює вимірювання та визначає стан системи з двох фотонів, що опинилася у неї. Природно, початковий стан фотона Аліси при цьому руйнується. Однак фотон з пари заплутаних фотонів, що опинився у Боба, переходить у стан A. У принципі, Боб навіть не знає при цьому, що стався акт телепортації, тому необхідно, щоб Аліса передала йому інформацію про це звичайним способом. Математично, мовою квантової механіки це явище можна описати так. Схема пристрою для телепортації наведена на малюнку:

Рис.6. Схема установки для здійснення квантової телепортації стану фотона

"Початковий стан визначаться виразом:

Тут прийнято, що перші два (ліворуч-праворуч) кубіти належать Алісі, а третій кубит Бобу. Далі Аліса пропускає свої два кубіти через CNOT-Гейт. У цьому виходить стан |Ψ 1 >:

Потім Аліса пропускає перший кубіт через гейт Адамара. Через війну стан аналізованих кубитів |Ψ 2 > матиме вид:

Перегрупувавши члени в (10.4), дотримуючись обраної послідовності приналежності кубитів Алісі та Бобу, отримаємо:

Звідси видно, що, якщо, наприклад, Аліса виконає вимірювання станів своєї пари кубітів і отримає 00 (тобто М 1 = 0, М 2 = 0), то кубіт Боба перебуватиме в стані |Ψ>, тобто саме в тому стані , яке Аліса хотіла передати Бобові У загальному випадку, залежно від результату вимірювання Аліси стан кубиту Боба, після процесу вимірювання визначатиметься одним із чотирьох можливих станів:

Однак для того, щоб дізнатися, в якому з чотирьох станів знаходиться його кубит, Боб повинен отримати класичну інформацію про результат вимірювання, виконаний Алісою. Як тільки Боб дізнається результат виміру Аліси, він може отримати стан вихідного кубіту Аліси |Ψ>, виконавши відповідні схемою (10.6) квантові операції. Тож якщо Аліса повідомила йому, що результат її виміру 00, то Бобу нічого не потрібно робити з його кубитом - він може |Ψ>, тобто результат передачі вже досягнутий. Якщо ж вимір Аліси дає результат 01, то Боб повинен вплинути на свій кубіт гейтом. X. Якщо вимір Аліси дає 10, то Боб повинен застосувати гейт. Z. Зрештою, якщо результат був 11, то Боб має подіяти гейтами. X*Z, щоб отримати стан, що передається |Ψ>. Сумарно квантовий ланцюг, що описує явище телепортації, наведено малюнку. Є низка причин явища телепортації, які мають бути пояснені з урахуванням загальнофізичних принципів. Наприклад, може скластися враження, що телепортація дозволяє передавати квантовий стан миттєво і, отже, швидше за швидкість світла. Це твердження перебуває у прямому протиріччі з теорією відносності. Однак у явищі телепортації немає суперечності з теорією відносності, тому що для здійснення телепортації Аліса повинна передати результат свого вимірювання за класичним каналом зв'язку, а телепортація не передає жодної інформації". явища, його "ядром" є заплутаність.Тому телепортація логічна як і заплутаність, вона легко і просто описується математично, не породжуючи жодних протиріч ні з логікою, ні зі здоровим глуздом.

Нерівності Белла

було сказано про погано обгрунтовані посилання на порушення "нерівностей Белла", як на доводи, що спростовують локальний реалізм Ейнштейна, який порушує їх з тим самим успіхом, що й квантова механіка. Стаття Д.С.Белла про ЕПР-парадокс стала переконливим математичним спростуванням аргументів Ейнштейна про неповноту квантової механіки та сформульованих ним положень так званого "локального реалізму". З дня опублікування статті в 1964 році і до наших днів докази Белла, більш відомі у формі "нерівностей Белла", служать найпоширенішим і головним аргументом у суперечці між уявленнями про нелокальність квантової механіки та цілим класом теорій на основі "прихованих змінних" або "додаткових". параметрів". Разом з тим, заперечення Белла слід вважати компромісом між спеціальною теорією відносності та експериментально спостерігається явищем заплутаності, що має всі видимі ознаки миттєвої залежності двох відокремлених один від одного систем. Цей компроміс відомий у наші дні як нелокальність чи несепарабельність. Нелокальність фактично заперечує положення традиційної теорії ймовірності на залежні та незалежні події та обґрунтовує нові положення – квантову ймовірність, квантові правила обчислення ймовірності подій (складання амплітуд ймовірностей), квантову логіку. Такий компроміс є ґрунтом для виникнення містичних поглядів на природу. Розглянемо дуже цікавий висновок Белла з аналізу парадоксу ЕПР: "У квантовій теорії з додатковими параметрами для того, щоб визначити результати індивідуальних вимірювань без того, щоб змінити статистичні прогнози, повинен бути механізм, за допомогою якого налаштування одного вимірювального пристрою може впливати на читання іншого віддаленого інструменту . Крім того, задіяний сигнал повинен поширюватися миттєво так, що така теорія не може бути лоренц-інваріантом". І Ейнштейн і Белл виключають надсвітлову взаємодію між частинками. Проте докази Ейнштейна про "додаткові параметри" Белл переконливо спростував, хоч і ціною припущення якогось надсвітлового "механізму налаштування". Щоб зберегти лоренц-інваріантність теорії, видно два шляхи: визнати містику нелокальності, або... існування нематеріальної субстанції, яка зв'язує частки. Припущення про миттєву передачу невловимої поки що, не зареєстрованої експериментально "квантової інформації" дозволяє відмовитися від містики на користь логіки та здорового глузду та справедливості спеціальної теорії відносності. Хоча пояснення загалом виглядає фантастичним.

Протиріччя між квантовою механікою та СТО

Вище було сказано про формальне визнання відсутності протиріччя між квантовою механікою – явищем нелокальності, заплутаності та спеціальною теорією відносності. Однак явище заплутаності, проте, дозволяє в принципі організувати проведення експерименту, який явно може показати, що години, що рухаються один щодо одного, йдуть синхронно. Це означає, що твердження СТО про те, що годинник, що рухається, відстає, - помилково. Є вагомі підстави вважати, що між квантовою теорією та спеціальною теорією відносності існує непереборне протиріччя, що стосується швидкості передачі взаємодії та квантової нелокальності. Положення квантової теорії про миттєвість колапсу вектора стану суперечить постулату СТО про обмеженість швидкості передачі взаємодії, оскільки існує спосіб використовувати колапс для формування сигналу синхронізації, що є фактично інформаційним сигналом, що миттєво розповсюджується в просторі. Звідси випливає, що з теорій - квантова чи спеціальна теорія відносності, або обидві теорії вимагають перегляду у питанні швидкості передачі взаємодії. Для квантової теорії – це відмови від квантової кореляції заплутаних частинок (нелокальності) з миттєвістю колапсу хвильової функції на будь-якій відстані, для СТО – це граничність швидкості передачі взаємодії. Сутність квантової синхронізації полягає у наступному. Дві заплутані частинки (фотони) миттєво набувають власні стани при колапсі загальної хвильової функції - це становище квантової механіки. Оскільки існує принаймні одна ІСО, в якій кожен з фотонів отримує свій стан у межах вимірювального пристрою, немає жодних розумних підстав стверджувати, що існують інші ІСО, в яких ці стани фотони отримали позавимірювальних приладів. Звідси неминучий висновок, що спрацювання двох вимірювачів відбувається одночасноз точки зору будь-яких ISO, оскільки для будь-якийІСО обидва вимірювачі спрацювали одночасновнаслідок колапсу хвильової функції. Зокрема, це означає, що власний вимірник нерухомийІСО спрацював абсолютно одночасно з вимірником в що рухаєтьсяІСО, оскільки квантові заплутані частинки (фотони) у момент колапсу перебували у межах вимірювальних пристроїв, а колапс відбувається миттєво. Використання сигнатур (послідовностей сигналів вимірювачів) дозволяє згодом показати синхронність ходу годинника. Як бачимо, навіть така явно спостережувана суперечність між двома провідними фізичними теоріями допускає цілком логічний дозвіл (включаючи експериментальну перевірку), який жодною мірою не суперечить здоровому глузду. Втім, необхідно зазначити, що саме явища квантової синхронізації виявилося вищим за розуміння всіх опонентів, з якими велося його обговорення.

Загадки єгипетських пірамід

Зі шкільних років нам вселяли, що знамениті єгипетські пірамідибули збудовані руками єгиптян відомих нам династій. Проте наукові експедиції, організовані наші дні А.Ю.Скляровым висвітлили безліч неузгодженостей і протиріч у поглядах походження пірамід. Понад те, було виявлено протиріччя й у трактування появи подібних споруд у інших частинах світу. Експедиції Склярова ставили перед собою досить фантастичні завдання: "головне: знайти-таки те, що ми шукали - ознаки і сліди високо розвиненої цивілізації, що кардинально відрізняється за можливостями та освоєними їй технологіями від того, що являли собою всі відомі історикам народності Мезоамерики". Піддавши критиці панівні пояснення офіційної історичної науки виникнення дивовижних стародавніх споруд, він приходить до переконливого висновку про зовсім інше їхнє походження: "Всі читали і "знають" про знамениті єгипетські обеліски. Але знають що?.. У книжках можна побачити дані по висоті обелісків, оцінку їх ваги та вказівку матеріалу, з якого вони виготовлені, опис їхньої величності, виклад версії виготовлення, доставки та установки на місце, можна навіть знайти варіанти перекладів написів на них, але навряд чи де ви зустрінете згадку про те, що на цих обелісках дуже часто можна зустріти вузькі декоративні прорізи. (глибиною порядку сантиметра і шириною на вході всього в пару-трійку міліметрів і практично дорівнює нулю в глибині), які не в змозі нині повторити жоден супер-досконалий інструмент. І це в наш час високих технологій!" Все це знято на кіноплівку, показано крупним планом, всякі сумніви в справжності показаного виключені. Кадри разючі! І висновки, зроблені на основі аналізу елементів споруд, безумовно, однозначні та безперечні: "Звідси неминуче і автоматично випливає те, що зробити її могли тільки ті, хто мав відповідний інструмент. Це – раз. Той, хто мав машинне виробництво (а зовсім не ручне.) Це - два. Той, хто мав виробничу базу для створення подібного інструменту. Це - три. , хто мав відповідні знання. Це - п'ять. І так далі, і тому подібне. У результаті ми отримуємо цивілізацію, що перевершує сучасну нам і за знаннями, і за технологіями. Фантастика? Треба бути патологічним Фомою Невіруючим, щоб заперечувати наявність слідів високих технологій, і бути неймовірним фантазером, щоб приписувати всі ці роботи древнім єгиптянам (та іншим народам, біля яких було виявлено споруди). За всієї фантастичності стародавніх споруд у Єгипті, Мексиці та інших регіонах, їх виникнення можна пояснити без будь-яких протиріч із логікою і здоровим глуздом. Ці пояснення суперечать загальноприйнятому трактуванню походження пірамід, але реальні у принципі. Навіть припущення про відвідування Землі інопланетянами і будівництво ними пірамід не суперечить здоровому глузду: за всієї фантастичності цієї ідеї, вона цілком могла мати місце. Понад те, це пояснення куди логічніше і розсудливіше, ніж приписування будівництва стародавнім погано розвиненим цивілізаціям.

А якщо припустити неймовірне?

Отже, як показано, безліч навіть найдивовижніших явищ природи цілком можна пояснити з погляду логіки та здорового глузду. Мабуть, можна знайти ще безліч таких загадок і явищ, які дозволяють привести хоч якесь логічне або несуперечливе пояснення. Але це не відноситься до інтерференції, яка стикається при поясненні з непереборними протиріччями з логікою та здоровим глуздом. Спробуємо все-таки сформулювати хоч якесь пояснення, навіть фантастичне, божевільне, але що спирається на логіку і здоровий глузд. Припустимо, що фотон - це хвиля і нічого більше, що немає загальновизнаного корпускулярно-хвильового дуалізму. Проте фотон – хвиля не в традиційному вигляді: він не просто електромагнітна хвиляабо хвиля Де Бройля, а щось більш абстрактне, абстрактно - хвильове. Тоді те, що ми називаємо часткою і, начебто навіть проявляється як частка - насправді в певному сенсі згортання, колапс, "смерть" хвилі, процедура поглинання фотона-хвилі, процес зникнення фотона-хвилі. Тепер спробуємо пояснити деякі явища з цього ненаукового, навіть безглуздого погляду. Експеримент на інтерферометр Маха-Цандера.На вході в інтерферометр фотон – "ні хвиля, ні частка" розбивається на дві частини. У прямому значенні цього слова. Півфотону рухається по одному плечу, а півфотону - по іншому. На виході інтерферометра фотон знову збирається у єдине ціле. Поки що це лише ескізний опис процесу. Тепер припустимо, що один із шляхів фотона перекрито. При зіткненні з перешкодою напівфотон "конденсується" в цілий фотон. Відбувається це в одній із двох точок простору: або в точці контакту з перешкодою, або у віддаленій точці, де знаходилася в цей момент його друга половина. Але де саме? Зрозуміло, що внаслідок квантової ймовірності визначити точне місце неможливо: або там або тут. При цьому система з двох напівфотонів руйнується і "зливається" у вихідний фотон. Точно відомо тільки, що злиття відбувається в точці знаходження одного з напів-фотонів і що напів-фотони зливаються воєдино з надсвітловою (миттєвою) швидкістю - так само, як заплутані фотони сприймають корелювані стани. Ефект, описаний Пенроузз інтерференцією на виході інтерферометра Маха-Цандера Фотон і напів-фотони також є хвилями, тому всі хвильові ефекти пояснюються з цієї точки зору просто: "якщо відкрито обидва маршрути (обидва однакові довжини), то фотон може досягти тільки А" внаслідок інтерференції хвиль напів-фотонів. "Блокування одного з маршрутів дозволяє фотону досягти детектора В" точно так, як і при проході фотона-хвилі через спліттер (дільник променя) в інтерферометр - тобто з розбиттям його на два напів-фотона і конденсації згодом на одному з детекторів - А або В. При цьому в "зібраному вигляді" до вихідного дільника приходить в середньому кожен другий фотон, оскільки перекриття одного зі шляхів викликає "складання" фотона або в другому каналі, або на перешкоді. Навпаки, "якщо обидва маршрути відкриті, то фотон якимось чином "знає", що попадання в детектор В не дозволяється, і тому він змушений слідувати відразу двома маршрутами", внаслідок чого до вихідного дільника приходять два напів-фотона, які і інтерферують на дільнику, потрапляючи або на детектор А, або на детектор. Експеримент на двох щілинах.Потрапляючи на щілини, фотон - "ні хвиля, ні частка" як і вище ділиться на дві частини, на два напів-фотони. Проходячи через щілини, напівфотони інтерферують зазвичай як хвилі, даючи відповідні смуги на екрані. Коли одна з щілин закрита (на виході), то напівфотони так само "конденсуються" на одному з них за законами квантової ймовірності. Тобто фотон може "зібратися" в ціле як на заглушці - на першому напів-фотоні, так і в місці знаходження другого напів-фотона в той момент, коли перший торкнувся цієї заглушки. При цьому подальший рух фотон, що "сконденсувався", продовжує традиційним для квантової хвилі-фотоном чином. Явище відкладеного вибору.Як і в попередньому прикладі, напів-фотони проходять через щілини. Інтерференція відбувається так само. Якщо ж після проходження напівфотонами щілин підмінити реєстратор (екран або окуляри), для напівфотонів нічого особливого не станеться. Якщо по дорозі вони зустрінеться екран - вони інтерферують, " збираються " в один у відповідній точці простору (экрана). Якщо зустрінеться окуляр, то за законами квантової ймовірності напівфотони "зберуться" в цілий фотон на одному з них. Квантовій ймовірності байдуже, на якому з напів-фотонів "сконденсувати" фотон у ціле. В окулярі ми дійсно точно бачитимемо, що фотон пройшов через певну щілину. Заплутаність.Квантові частинки - хвилі в момент взаємодії та подальшого поділу, наприклад, зберігають свою "парність". Тобто кожна з частинок "розлітається" одночасно за двома напрямками у вигляді одержувань. Тобто, дві одержунки – половина першої частинки та половина другої частинки – віддаляються в один бік, а дві інші половинки – в іншу. У момент колапсу вектора стану кожна з одержувань "сплескується", кожна на "своєї" стороні, миттєво, незалежно від відстані між частинками. Відповідно до правил квантових обчислень, можна зробити у випадку з фотонами поворот поляризації однієї з частинок без колапсу вектора стану. При цьому має відбутися поворот взаємних напрямів поляризації заплутаних фотонів: при колапсі кут між їхньою поляризацією вже не буде кратним прямому. Але це також можна пояснити, наприклад, нерівноправністю "половинок". Фантастично? Шалено? Ненауково? Певне, так. Більше того, ці пояснення явно суперечать тим експериментам, у яких квантові частинки виявляють себе як кванти, наприклад, пружні зіткнення. Але така ціна прагнення дотримуватися логіки та здорового глузду. Як бачимо, інтерференція не піддається цьому, вона суперечить і логіці і здоровому глузду незрівнянно більшою мірою, ніж всі розглянуті тут явища. "Серце квантової механіки", квінтесенція принципу квантової суперпозиції є нерозв'язною загадкою. А враховуючи, що інтерференція фактично є базовим принципом, який у тій чи іншій мірі міститься в багатьох квантово-механічних викладках, вона є абсурдом, нерозгаданим Головною Загадкою Фізики Квантів .

ДОДАТКИ

Оскільки при аналізі загадок науки ми будемо використовувати такі базові поняття як логіка, парадокс, протиріччя, абсурд, здоровий глузд, слід визначити, як ми трактуватимемо ці поняття.

Формальна логіка

Основним інструментом аналізу ми вибираємо апарат формальної логіки, яка є основою всіх інших класів логік так само, як бінарне літочислення є основою всіх обчислень (з іншими підставами). Це логіка найнижчого рівня, простіше за яку неможливо подумати нічого більше. Всі міркування та логічні побудови, зрештою, ґрунтуються на цій базовій, основній логіці, зводяться до неї. Звідси неминучий висновок, що будь-які міркування (побудови) у своїй основі нічого не винні суперечити формальної логіці. Логіка це:

1. Наука про загальні закони розвитку об'єктивного світу та пізнання.
2. Розумність, правильність висновків.
3. Внутрішня закономірність. ( Тлумачний словникросійської мови Ушакова, http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/12/us208212.htm) Логіка - "нормативна наука про форми та прийоми інтелектуальної пізнавальної діяльності, що здійснюється за допомогою мови. Специфіка логічних законівполягає в тому, що вони є висловлюваннями, істинними виключно в силу своєї логічної форми. Інакше кажучи, логічна форма таких висловлювань зумовлює їх істинність щодо конкретизації змістів їх нелогічних термінів". (Васюков В., Енциклопедія "Кругосвіт", http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/article/b/bf/1010920. htm) Серед логічних теорійнас буде особливо цікавити некласична логіка – квантовалогіка, що передбачає порушення законів класичної логіки у мікросвіті. Певною мірою ми спиратимемося на діалектичну логіку, логіку "суперечностей": "Діалектична логіка - це філософія, теорія істини(істини-процесу, за Гегелем), тоді як інші "логіки" - спеціальний інструмент фіксації та втілення результатів пізнання. Інструмент дуже потрібний (скажімо, без опори на математико-логічні правила обчислення висловлювань не запрацює жодна комп'ютерна програма), але все-таки спеціальний. ... Така логіка вивчає закони виникнення та розвитку з єдиного джерела різних, часом позбавлених не лише зовнішньої подібності, а й суперечливих явищ. Більше того, для діалектичної логіки протиріччязакладено вже у самому джерелі походження явищ. На відміну від формальної логіки, що накладає заборону на подібне у вигляді "закону виключеного третього" (або А чи не-А - tertium non datur: третього не дано). Але що поробиш, якщо світло вже у своїй основі - світло як "істина" - являє собою і хвилю, і частинку (корпускулу), "розділити" на які його неможливо навіть в умовах найвитонченішого лабораторного експерименту?" (Кудрявцев В., Що таке діалектична логіка?

Здоровий глузд

У аристотелевском значенні цього терміну - здатність осягати властивості об'єкта у вигляді використання інших почуттів. Переконання, думки, практичне розуміння речей, властиві "середній людині". Розмовне: хороше, аргументоване судження. Приблизний синонім логічного мислення. Спочатку здоровий глузд розглядався як складова частинарозумової здібності, що функціонує суто раціональним чином. (Оксфордський тлумачний словник з психології / Под ред. А. Ребера, 2002 р.,
http://vocabulary.ru/dictionary/487/word/%C7%C4%D0%C0%C2%DB%C9+%D1%CC%DB%D1%CB) Тут ми розглядаємо здоровий глузд виключно як відповідність явищ формальної логіки . Лише протиріччя логіці у побудовах може бути основою визнання помилковості, незавершеності висновків чи його абсурдності. Як сказав Ю.Скляров, пояснення реальним фактамТреба шукати з допомогою логіки і здорового глузду, хоч би якими дивними, незвичними і " ненауковими " здавалися здавалося б ці пояснення. При аналізі спираємося на науковий метод, яким вважаємо метод спроб і помилок. (Срібний А.І., Науковий метод і помилки, Природа, N3, 1997 р., http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/VV_SC2_W.HTM) При цьому ми усвідомлюємо, що наука сама по собі заснована на вірі: "по суті, будь-яке знання ґрунтується на вірі у вихідні припущення (які беруться апріорі, через інтуїцію і які неможливо раціонально прямо та суворо довести), - зокрема, у наступні:

(i) наш розум може осягати реальність,
(ii) наші почуття відображають реальність,
(iii) закони логіки". (В.С.Ольховський В.С., Як співвідносяться постулати віри еволюціонізму та креаціонізму між собою з сучасними науковими даними, http://www.scienceandapologetics.org/text/91.htm) "То , що наука заснована на вірі, яка якісно не відрізняється від віри релігійної, визнають і самі вчені". (Сучасна наука і віра, http://www.vyasa.ru/philosophy/vedicculture/?id=82) визначення здорового глузду: "Здоровий глузд є набір упереджень, який ми набуваємо після досягнення вісімнадцяти років".(http://www.marketer.ru/node/1098) Від себе з цього приводу додамо: може відмовити тобі.

Протиріччя

"У формальній логіці - пара суперечать один одному суджень, тобто суджень, кожне з яких є запереченням іншого. Суперечністю називається також сам факт появи такої пари суджень у ході будь-якої міркування або в рамках якоїсь наукової теорії". (Велика радянська енциклопедія, Рубрикон, http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00063/38600.htm) "Думка або становище, несумісне з іншим, що спростовує інше, неузгодженість у думках, висловлюваннях та вчинках, порушення логіки чи правди" . (Тлумачний словник російської мови Ушакова, http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/16-4/us3102504.htm) "логічна ситуація одночасної істинності двох взаємовиключних ухвал або висловлювань (суджень) про одне й те ж. У формальній логіці суперечність вважається неприпустимою згідно із законом суперечності". (http://ua.wikipedia.org/wiki/Протиріччя)

Парадокс

"1) думка, судження, висновок, що різко розходиться з загальноприйнятим, суперечить "здоровому глузду" (іноді лише на перший погляд); 2) несподіване явище, подія, що не відповідає звичним уявленням; від істини. Протиріччя синонімічно терміну "антиномія" - суперечність у законі - так називають будь-яке міркування, що доводить як істинність тези, так і істинність його заперечення. (http://slovari.yandex.ru/dict/psychlex2/article/PS2/ps2-0279.htm) Оскільки парадоксом прийнято вважати явище, що суперечить загальноприйнятим поглядам, то в цьому сенсі парадокс і суперечність схожі. Проте ми розглядатимемо їх окремо. Парадокс - це хоч і протиріччя, але може бути пояснений логічно, він доступний здоровому глузду. Протиріччя ж ми розглядатимемо як нерозв'язну, неможливу, абсурдну логічну побудову, незрозумілу з позиції здорового глузду. У статті проводиться пошук таких протиріч, які не просто складні у вирішенні, а досягають рівня абсурду. Їх не те що пояснити складно, і навіть постановка завдання, опис суті протиріччя стикається з труднощами. Як пояснити те, що навіть сформулювати не вдається? На наш погляд, таким абсурдом є двощілинний експеримент Юнга. Як виявлено, пояснити поведінку квантової частки при інтерференції на двох щілинах вкрай складно.

Абсурд

Щось нелогічне, безглузде, що суперечить здоровому глузду. - Абсурдним вважається вираз, який зовні не є суперечливим, але з якого таки може бути виведено протиріччя. - Абсурдне висловлювання осмислене і через свою суперечливість є хибним. Логічний закон протиріччя свідчить про неприпустимість одночасно затвердження та заперечення. - Абсурдне висловлювання є прямим порушенням цього закону. У логіці розглядаються докази шляхом reductio ad absurdum ("приведення до абсурду"): якщо з певного положення виводиться суперечність, це положення є хибним. (Вікіпедія, http://ru.wikipedia.org/wiki/Абсурд) У греків поняття абсурду означало логічний глухий кут, тобто місце, де міркування призводить міркуючого до очевидного протиріччя або, більше того, до явного безглуздя і, отже, вимагає іншого розумового шляху. Таким чином, під абсурдом розумілося заперечення центрального компонента раціональності – логіки. (http://www.ec-dejavu.net/a/Absurd.html)

Література

1. Aspect А. "Bell"s theorem: the naive view of an experimentalist", 2001,
   (http://quantum3000.narod.ru/papers/edu/aspect_bell.zip)
2. Aspect: Ален Аспект, Теорема Белла: наївний поглядекспериментатора, (Пер. з англ. Путеніхіна П.В.), Квантова Магія, 2007.
3. Bacciagaluppi G., Роль декогеренції у квантовій теорії: Переклад М.Х.Шульман. - Інститут історії та філософії науки та техніки (Париж) -
   http://plato.stanford.edu/entries/qm-decoherence/
4. Бєлінський А.В., Квантова нелокальність та відсутність апріорних значень вимірюваних величин в експериментах з фотонами, - УФН, т.173, ?8, серпень 2003 року.
5. Боумейстер Д., Екерт А., Цайлінгер А., Фізика квантової інформації. -
   http://quantmagic.narod.ru/Books/Zeilinger/g1.djvu
6. Хвильові процеси в неоднорідних та нелінійних середовищах. Семінар 10. Квантова телепортація, Воронезький державний університет, REC-010 Науково-освітній центр,
   http://www.rec.vsu.ru/rus/ecourse/quantcomp/sem10.pdf
7. Доронін С.І., "Не локальність квантової механіки", Форум Фізики Магії, Сайт "Фізика магії", Фізика, http://physmag.h1.ru/forum/topic.php?forum=1&topic=29
8. Доронін С.І., Сайт "Фізика Магії", http://physmag.h1.ru/
9. Зарічний М.І., Квантова та містична картини світу, 2004, http://www.simoron.dax.ru/
10. Квантова телепортація (передача Гордона 21 травня 2002, 00:30),
    http://www.mi.ras.ru/~volovich/lib/vol-acc.htm
11. Менський М.Б., Квантова механіка: нові експерименти, нові програми та нові формулювання старих питань. - УФН, Том 170, N 6, 2000
12. Пенроуз Роджер, Новий розум короля: Про комп'ютери, мислення та закони фізики: Пер. з англ. / Загальн. ред. В.О.Малишенко. – М.: Едиторіал УРСС, 2003. – 384 с. Переклад книги:
    Roger Penrose, The Emperor's New Mind. Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics. Oxford University Press, 1989.
13. Путенихін П.В., Квантова механіка проти СТО. - Самвидав, 2008,
    http://zhurnal.lib.ru/editors/p/putenihin_p_w/kmvsto.shtml
14. Путенихін П.В., коли нерівності Белла не порушуються. Самвидав, 2008
15. Путенихін П.В., Коментарі до висновків Белла у статті "Парадокс Ейнштейна, Подільського, Розена". Самвидав, 2008
16. Скляров А., Стародавня Мексика без кривих дзеркал, http://lah.ru/text/sklyarov/mexico-web.rar
17. Хокінг С., коротка історіячасу від великого вибухудо чорних дірок. - Санкт-Петербург, 2001
18. Хокінг С., Пенроуз Р., Природа простору та часу. - Іжевськ: НДЦ "Регулярна та хаотична динаміка", 2000, 160 стор.
19. Ципенюк Ю.М., Співвідношення невизначеностей чи принцип додатковості? - М: Природа, ?5, 1999, с.90
20. Ейнштейн А. Збори наукових працьу чотирьох томах. Том 4. Статті, рецензії, листи. Еволюція фізики. М: Наука, 1967,
    http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Einstein_t4_1967ru.djvu
21. Ейнштейн А., Подільський Б., Розен Н. Чи можна вважати квантовомеханічний опис фізичної реальності повним? / Ейнштейн А. Зібр. наукових праць, т. 3. М., Наука, 1966, з. 604-611, 〉
    http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Einstein_t3_1966ru.djvu

Інтерференція світла у досвіді Юнга

Ілюстрація: Timm Weitkamp (CC BY)

Команда фізиків з Австралійського національного університету реалізувала уявний експеримент Уїлера з відкладеним вибором, замінивши фотони надхолодними метастабільними атомами гелію. Нова робота підтвердила класичні положення принципу додатковості Нільса Бора. опублікована в Nature Physics.

У 1978 році Джон Арчібальд Уілер запропонував більш витончений варіант класичного двощілинного досвіду Юнга, що довело хвильову природу світла. По Юнг пучок світла прямує на перегородку з двома вузькими щілинами. При цьому розмір кожної щілини приблизно відповідає довжині хвилі світла, що випромінюється. Проходячи через щілини, світло потрапляє на проекційний екран позаду. Якби фотони виявляли виключно корпускулярні властивості, то на екрані були б дві яскраво освітлені ділянки за щілинами і темна ділянка між ними. У той самий час, якщо фотони виявляють хвильові властивості, кожна щілина стає вторинним джерелом хвиль. Ці хвилі інтерферують, і замість двох освітлених смуг виникає безліч світлих і темних зон на проекційному екрані. Причому один з локальних максимумів освітленості знаходиться там, де має бути темне місце (якщо фотон був тільки частинкою).

Здавалося б, хвильова природа світла експериментально доведена, проте математично це означало, що фотон одночасно проходить через обидві щілини. Тоді фізики спробували, за допомогою виміру, визначити – через яку щілину насправді пролітає один фотон. З'ясувалося, що у разі спостереження фотон знову почав діяти як частка, начебто «знав», що за ним спостерігають. Факт спостереження немов руйнує хвильову функцію. І навпаки, щойно спостереження немає, фотон знову починає інтерферувати сам із собою, діючи як хвиля.

Констатуючи експериментально спостерігається корпускулярно-хвильовий дуалізм, Нільс Бор постулював принцип додатковості. Він говорить, що й спостерігач вимірює якості квантового об'єкта як частки, він поводиться як частка. Якщо ж вимірюються його хвильові властивості, то для спостерігача він поводиться як хвиля. Тому для повного опису квантовомеханічних явищ необхідно застосовувати два, здавалося б, суперечать один одному уявлення, які в результаті виявляються взаємно доповнюють, що і відображено в назві принципу.

Щоб подолати цю суперечність і перевірити ефект спостерігача, Уілер запропонував використовувати інтерферометр Маха - Цандера. Він складається із чотирьох дзеркал. Перше розщеплює потік світла на два пучки, які потім відбиваються від двох непрозорих дзеркал і знову зводяться разом у четвертому дзеркалі. По обидва боки від нього стоять детектори. Фотони потрібно випускати по одному.

Одиночний фотон хіба що розщеплюється на два першому дзеркалі, чи, інакше кажучи, виявляє хвильові властивості. Потім він відбивається від двох ідеальних дзеркал, знову інтерферує сам із собою у четвертому напівпрозорому дзеркалі, і нарешті потрапляє в один із детекторів. Для кожного конкретного фотона спрацьовує лише один із детекторів, але якщо повторювати досвід багато разів, вийде деяке нетривіальне співвідношення відліків двох детекторів. Це співвідношення показує, що частка, досягнувши четвертого дзеркала, поводиться як хвиля. Якщо ж четверте дзеркало прибрати, співвідношення між спрацьовуваннями буде 50:50. Це виглядає так, ніби в момент першого розщеплення частка вже «вирішила», яким шляхом вона піде.

Ідея Уілера полягала в тому, щоб поява у схемі четвертого дзеркала вирішувалося за допомогою генератора випадкових чисел вже після того, як фотон увійшов до інтерферометра, але до того, як його поглинув один із детекторів – так званий відкладений вибір. Таким чином, експериментатори позбавляли б фотон можливості «дізнатися», чи проводиться спостереження чи ні, і тим самим визначити свою «поведінку» – стати частинкою або хвилею. Вперше цю гіпотетичну схему вдалося реалізувати лише 2007 року.

Схема інтерферометра Маха – Цендера

Зображення: Wikimedia Commons

Ліворуч класична схема експерименту Віллера. Справа його нова реалізація на атомах та з використанням лазерних імпульсів

Зображення: Manning A.G. et als.

У новому дослідженні австралійські фізики використовували масивні частки – атоми, цим протестувавши експериментальну схему Уилера у нових умовах.

Вчені використали надхолодні атоми гелію, випускаючи їх поодинці з оптичної дипольної пастки. Під дією гравітації атоми починали падати у спеціальний детектор у вигляді мікроканальної пластини. Через мілісекунду після початку падіння лазерний промінь «вдаряв» по ​​атому, змушуючи його зайняти суперпозицію двох дипольних моментів, спрямованих у різні боки. Це був аналог «першого дзеркала, що розщеплює» Вілера.

Потім вчені вирішували – чи застосувати їм другий лазерний імпульс для рекомбінації цих двох станів. Усього могло бути два варіанти такого змішаного стану: перше у вигляді суми двох хвиль і друге у вигляді різниці. Яке їх виникне, визначав квантовий генератор випадкових чисел. Після застосування другого лазерного імпульсу вже не можна було точно сказати - в якому з двох станів знаходиться атом. Загалом таких експериментальних проб було здійснено понад тисячу.

З'ясувалося, що й другий лазерний імпульс не застосовувався, то можливість детекції кожного з дипольних моментів дорівнювала 0,5. У той самий час, після впливу другого лазерного імпульсу спостерігалася чітка картина інтерференції, вираженої як синусоїди, як і й у досвіді Юнга.

Таким чином, підтвердилося припущення Нільса Бора про те, що немає сенсу приписувати ту чи іншу поведінку частинкам – як хвилі або як власне частинки – до того, як було проведено вимір. Втім, є ще одне малоймовірне пояснення, що частки якимось чином одержують інформацію з майбутнього. Воно припускає, що інформація може передаватися швидше за світло, що неможливо з точки зору теорії відносності.

• квантовий об'єкт (на зразок електрона) може бути більш ніж в одному місці одночасно. Він може бути виміряний як хвиля, розмазана в просторі, і може розташовуватися в різних точках по всій хвилі. Це називається властивість хвилі.
• квантовий об'єкт перестає існувати і спонтанно виникає там без переміщення у просторі. Це відомо як квантовий перехід. Насправді це телепорт.
• прояв одного квантового об'єкта, викликане нашими спостереженнями, спонтанно впливає пов'язаний із ним об'єкт-близнюк, незалежно від цього, як далеко той перебуває. Вибийте електрон та протон з атома. Що б не трапилося з електроном, те саме станеться з протоном. Це називається «квантова дія на відстані».
• квантовий об'єкт не може проявитися у звичайному просторі-часі, поки ми не спостерігатимемо його як частинку. Свідомість руйнує хвильову функцію частки.

Останній пункт цікавий тим, що без усвідомленого спостерігача, який змушує хвилю колапсувати, вона залишатиметься без фізичного прояву. Спостереження як турбує вимірюваний об'єкт, воно викликає ефект. Це було перевірено так званим двощілинним експериментом, коли присутність свідомого спостерігача змінює поведінку електрона, перетворюючи його з хвилі на частинку. Так званий ефект спостерігача вражає те, що ми знаємо про реальний світ. Ось, до речі, мультфільм, у якому все показано.

Як зазначав учений Дін Радін, «ми змушуємо електрон займати певну позицію. Ми самі робимо результати вимірювання». Тепер вважають, що «це не ми вимірюємо електрон, а машина, яка стоїть за спостереженням». Але машина просто доповнює нашу свідомість. Це все одно, що сказати «це не я дивлюся на того, хто перепливає озеро, це бінокль». Машина сама по собі бачить не більше, ніж комп'ютер, який може слухати пісні, інтерпретуючи звуковий сигнал.

Деякі вчені припускають, що без свідомості всесвіт буде існувати невизначено, як море квантового потенціалу. Інакше кажучи, фізична реальність неспроможна існувати без суб'єктивності. Непритомний немає фізичної матерії. Це зауваження відоме як , і його вперше вивів фізик Джон Уілер. По суті, будь-який можливий всесвіт, який ми можемо уявити без свідомого спостерігача, вже буде з ним. Свідомість є основою буття у разі й існувало, можливо, до виникнення фізичної всесвіту. Свідомість буквально створює фізичний світ.

Ці висновки гарантують величезні наслідки тому, як ми розуміємо свій взаємозв'язок із зовнішнім світомі якого роду стосунки можуть бути у нас із Всесвітом. Як живі істоти, ми маємо прямий доступ до всього сущого і фундаменту всього фізично існуючого. Це нам дозволяє свідомість. «Ми створюємо реальність» означає в даному контексті те, що наші думки створюють перспективу того, що ми є у нашому світі, але якщо розібратися, нам важливе точне розуміння цього процесу. Ми породжуємо фізичний всесвіт своєю суб'єктивністю. Тканина всесвіту – це свідомість, а ми – просто бриж на морі всесвіту. Виходить, нам пощастило пережити диво такого життя, а Всесвіт продовжує вливати в нас частину своєї самосвідомості.

«Я вважаю свідомість фундаментальною. Я вважаю матерію похідним від свідомості. Ми не можемо залишатися непритомним. Все, про що ми говоримо, все, що ми бачимо як існуюче, постулює свідомість». - Макс Планк, лауреат Нобелівської премії та піонер квантової теорії.