Нереальная реальность-2

Квантовая механика опровергает этот вывод. Невозможно узнать точное положение даже одной частицы, не говоря уж о космосе в целом. Максимально, что можно сделать – предсказать вероятность того или иного события.

Ещё недавно нам казалось, что все объекты Вселенной, приведённые в движение в далёком прошлом, с фатальной неизбежностью двигаются в сторону строго определённого будущего. Квантовая механика разрушила эти представления.

Конечно, во Вселенной работают строгие фундаментальные законы. Но они устанавливают лишь вероятность того или иного сценария будущего и не способны определить, какое именно будущее наступит в действительности.

Вселенная глобально не стационарна. Она основана на вероятностном раскладе. И здесь очень важно не запутаться в терминах.

Нельзя сравнивать вероятность в квантовом мире с той вероятностью, с которой мы встречаемся в обычной жизни. Например, с игрой в рулетку в казино.

Игрок уверен, что существует некая совершенно точная, но не 100%– ная вероятность выпадения шарика на то или иное число. Но это совсем не так. Достаточно иметь необходимые вычислительные мощности и полные знания о физических параметрах участников процесса игры и окружающего пространства, чтобы абсолютно точно, со 100%– ной вероятностью, установить, в ячейке с каким числом остановится шарик после броска крупье.

Разумеется, человек за игровым столом не в состоянии сопоставить все эти значения и произвести необходимые расчёты. Слишком уж много данных необходимо учесть, поэтому такие вычисления не способен сделать даже самый мощный компьютер. Пока что. Невозможность подобного – просто дефицит транзисторов, который никоим образом не связан с фундаментальными свойствами природы.

В противоположность этому, в квантовом мире вероятность буквально встроена в самые основы Мироздания. Поэтому, известное утверждение Эйнштейна, что «Бог не играет в кости», можно интерпретировать в том смысле, что никакой игры вселенского масштаба нет по той простой причине, что само фундаментальное описание материи имеет вероятностный характер.

Законы квантовой механики действуют везде, в том числе в человеческом теле. И это не просто вопрос масштаба. Ещё недавно мы были убеждены в том, что всё в мире происходит определённым чередом. Однако, выяснилось, что все события во Вселенной «подвешены» в неопределённом состоянии и могут происходить частично тем и частично иным образом. Квантовые эффекты сложно увидеть на больших масштабах. Но дело не в размере, а в сложности понимания принципов взаимодействия квантовых систем, которые, с нашей точки зрения, противоречат здравому смыслу.

Возникает естественный вопрос. Если всё в мире имеет вероятностный характер, тогда почему классическая физика так точно предсказывает движение больших тел?

Ответ заключается в том, что макрообъект состоит из огромного количества частиц. Каждая из них в отдельности может вести себя «неадекватно», может даже нарушать законы классической физики. Но, крайне маловероятно, что миллиарды миллиардов частиц одновременно станут «нарушителями».

Теоретически возможно отклонение движения макрообъекта от предсказываемого законами Ньютона. В принципе, в следующее мгновение планета Земля может внезапно оказаться в Туманности Андромеды. И это абсолютно не противоречит ни одному закону физики. Однако, вероятность этого события настолько мала, что всего времени жизни Вселенной не хватит, чтобы хотя бы один раз увидеть подобное чудо в реальности.

В микромире ситуация иная. Вероятно, что какая-то одна частица, ещё сегодня утром бывшая частью вашей утренней чашки кофе, сейчас входит в состав чашки вечернего коктейля инопланетянина в другой галактике. Не будем забывать, что в чашке кофе содержится больше атомов, чем стаканов воды во всех океанах на Земле. При такой математике неудивительно, что какой-то микроскопический «экстремал» повёл себя не по правилам и моментально «улетел» из Млечного Пути.

Чем меньше объект, тем больше «размазываются» его вероятностные варианты. Слишком много местоположений в макромире, где отдельная маленькая частица может находиться с достаточной вероятностью. Именно поэтому в микромире квантовая природа реальности проявляется во всей полноте.

Квантовую механику сложно понять, потому что она противоречит нашей интуиции. Мне сложно описать её базовые принципы в знакомых вам терминах и фразах, так как смысл многих понятий можно передать лишь приблизительно. Поэтому постоянно приходится прибегать к аналогиям. Конечно, это очень грубые приближения. Но иного выхода нет, поскольку неизвестно, с какой стороны ждать подвоха.

Квантовая механика привнесла в науку элемент абсолютной непредсказуемости. Для одних расчётов удобно рассматривать частицы, как волны. Для других – волны, как частицы. Где-то применимо одно описание, где-то совершенно другое. Почему Природа опирается на столь необычный математический аппарат абсолютно непонятно.

Ещё один завораживающий квантовый эффект – запутанность частиц.

Физики установили, что измерение одной квантовый системы оказывает мгновенное воздействие на сцепленную с ней. Причём, эта связь сохраняется между частицами, даже если они расположены на разных концах Вселенной.

Запутанность связывает частицы вне зависимости от их местоположения и сил взаимодействия между ними. Это могут быть два электрона в разных галактиках. Запутанность влечёт за собой противоречащее «здравому смыслу» явление – нелокальность, то есть возможность взаимодействия объектов без непосредственного контакта и без помощи каких-либо сил, передающих действие в пространстве. Это экспериментально подтверждённый квантовый эффект.

Если измерить электрон на Земле, то его сцепленный партнёр моментально отреагирует на измерение. Где бы он ни находился в необъятных просторах космоса. Каким-то совершенно непостижимым образом частица «узнаёт» о поведении партнёра сразу же.

Каждая частица обладает собственным моментом вращения, известным как спин. В тот момент, когда измеряется спин одной частицы, её «родственная» частица мгновенно начинает крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Даже, если одна из частиц находится на одном краю Вселенной, а другая – на противоположном.

Только представьте себе странность подобной ситуации. Предположим, у вас есть два одинаковых маленьких шарика. Один – на Земле, а второй – вы каким-то необычным образом забросили в Туманность Андромеды. Как только вы закрутите шарик здесь, тот, который в другой галактике, моментально начнёт крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Напомню, что расстояние от нас до Туманности Андромеды луч света способен преодолеть лишь за 2.5 миллиона лет. Неужели информация может распространяться быстрее света?

Нет, постулаты теории Эйнштейна не нарушаются. Запутанность квантового состояния не позволяет отправить информацию и энергию на другой конец Вселенной из-за принципа запрета Паули[7 - Паули Вольфганг Эрнст – австрийский физик-теоретик, автор фундаментальных работ по квантовой механике и теории относительности.]. Он утверждает, что две взаимосвязанные частицы в одной системе не могут существовать в одном состоянии. Хотя, по факту, взаимозависимость партнёров проявляется именно со сверхсветовой скоростью. Информационная связь частиц является очень прочной и мгновенной. Доказано, что она не зависит от пространства, времени и скорости света.

Поразительно осознавать, что, согласно квантовой механике, что-то, что вы делаете здесь и сейчас, может быть мгновенно связано с тем, что происходит на другом краю Вселенной. Два объекта могут быть разделены космологическим расстоянием и всё же быть не полностью независимыми друг от друга. Их объединяет квантовая связь.

Мы знаем, что классическая система всегда делится на части. Её общие свойства зависят от свойств составляющих компонентов.

Запутанная система совершенно другая. Её невозможно разделить. Запутанные частицы, разделённые огромным расстоянием в пространстве, связывают весь космос в единое целое.

Получается, что такие главные категории классической физики, как пространство и время, неожиданно уходят на дальний план.

Главным фактором структуры реальности оказывается запутанность квантовых состояний. Для поддержания связи между квантовыми системами пространство и время не нужно. За этим выводом следуют чрезвычайно глубокие последствия.

Если классическая теория вторична, то мы просто вынуждены рассматривать пространство и время как категории, выводимые из другой физики. Более фундаментальной. Такой физики, где пространство и время отсутствуют.

Теперь на время вернёмся к нашему коту в коробке, чтобы понять ещё один базовый постулат квантовой механики – принцип Суперпозиции.

Из эксперимента Шрёдингера следует вывод о том, что пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет одновременно пребывать в состоянии «жив-мёртв». С точки зрения классической физики такие альтернативные, взаимоисключающие состояния не могут быть реализованы одновременно. Кот либо жив, либо мёртв, но никак не комбинация того и другого.

Однако, в квантовой физике у объекта может быть парадоксальное объединённое состояние «жив-мёртв», то есть ни то, ни другое, а как бы между ними. Именно такое положение называется Суперпозицией.

В реальном мире мы не наблюдаем «мёртво-живого» кота, но в квантовой реальности это возможно. Именно взаимозависимость частиц в Суперпозициях приводит к их запутанности.

Суть в том, что состояния квантово-механической системы являются векторами. Поэтому их можно складывать и умножать. Значит, возможна любая комбинация этих состояний. Принцип Суперпозиции объясняет каким образом объект «одновременно» находится в разных местах.

Каким образом частица покидает состояние Суперпозиции и проявляется в классическом мире?

Обычно люди думают, что частицы похожи на маленькие шарики. Но это совсем не так.

Скорее они напоминают небольшие облачка.

Наиболее вероятно «отловить» частицу, обнаружить её во время измерения в самой «плотной» части облачка. Конечно, это условное описание для наглядности. Никаким бесформенным объектом частица в реальности не является.

Она вообще не объект в общепринятом понимании этого термина. Дело не в том, что мы не знаем координаты частицы. Их просто не существует в принципе. Частицы нужно рассматривать как возбуждения квантового поля.

В 1926 году Макс Борн[8 - Борн Макс – немецко-британский физик и математик, один из создателей квантовой механики.] предположил существование в природе так называемой волны вероятности. Её невозможно увидеть или измерить. Она простирается через всё пространство Вселенной. Волна вероятности представляет собой функцию координаты частицы. Борн назвал её волновой функцией.

Квадрат этой функции определяет вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства. Отдельную частицу можно обнаружить только в одном месте. Но распределение множества частиц по разным местам подобно волне. Волновая функция определяет вероятность попадания частицы в одно из этих мест. Пик волны – это точка максимальной вероятности, указывающая, в каком месте пространства скорее всего окажется частица. С течением времени пик волны смещается в пространстве в соответствии с математическим уравнением, предложенным Шрёдингером. То есть, в квантовом мире частица ведёт себя подобно волне.

Суперпозиция квантовых состояний распространяется не только на отдельную частицу, но и на их группу. Поскольку частицы спутаны между собой, то волновая функция Суперпозиции всей квантовой системы одновременно описывает качества каждой частицы, её составляющей.

Суперпозиция распадается в тот момент, когда вы измеряете, или, если угодно, наблюдаете положение частицы. Открыв коробку, вы увидите живого или мёртвого кота. Аналогично, частица моментально среагирует на акт наблюдения и займет определённое место в пространстве.

Разумеется, вы не в буквальном смысле слова смотрите на частицу, а измеряете её положение. Её волна вероятности в этом месте поднимается на самый пик, достигая ста процентов, а во всех остальных местах коллапсирует. Каждый раз при взгляде на вероятностную неопределённость, она «схлопывается», превращаясь в привычную реальность.

При наблюдении волны вероятности она мгновенно коллапсирует везде, кроме одного выделенного места. Таким образом, реальность базируется на вероятностных волнах, при этом увидеть их невозможно, потому что сам акт наблюдения разрушает подобный план.

Волновая функция уничтожается самим актом наблюдения и объект становится реальным. Соответственно, главное предназначение волновой функции заключается в том, что она позволяет нам узнать точную вероятность обнаружения объекта в конкретном состоянии.

Физики сегодня в целом понимают механизм преобразования вероятностного квантового мира в привычный нам материальный. Однако, к сожалению, по-настоящему глубокого осознания того, что представляет собой волновая функция, нет.

Сложность в том, что не ясно, почему и каким образом частица «выбирает» единственный из множества вариантов будущего. Совершенно непонятно вследствие чего из бесконечного числа альтернатив реализуется именно «наше» Мироздание.

В 1952 году Дэвид Бом[9 - Бом Дэвид Джозеф – американский физик, автор работ по квантовой механике и философии.] выдвинул идею причинной интерпретации квантовой механики. Учёный предположил, что, помимо волновой функции, во Вселенной существуют дополнительные «скрытые» переменные.

Всё неопределённое – на самом деле чётко определено. Реальность – реальна. И Природа прекрасно знает значения этих «скрытых» переменных. И частица тоже знает. А вот люди – нет.