Пять квантовых экспериментов, демонстрирующих иллюзорность реальности

Популярная квантовая механика. Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Эксперименты доктора Уильяма А. Тиллера

Доктор Тиллер, заслуженный профессор в области материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете, изучал влияние разума на материю. Он был заведующим кафедрой с 1964 по 1998 год. Находясь на вершине своей карьеры, он решил исследовать, — могут ли сознание и сила разума влиять на материю? Доктор также является автором книги «Наука и трансформация человека» .

Его эксперименты неоднократно показали, что сила человеческого разума может оказывать непосредственное влияние на физическую материю. Работая с опытными медитаторами, которые, как он их описал, были «людьми, в высшей степени внутренне ориентированными», Тиллер просил их сосредоточиться на «запечатлении» определенных намерений на электрических устройствах.

Например, в одном эксперименте, проведенном Тиллером, группа людей поместила свое сознание в электрическую схему, которая содержала кристалл. Затем они внедрили мысль, что рН воды будет либо повышаться, либо понижаться. Электросхемы были завернуты в алюминиевую фольгу и отправлены на ночь в лаборатории по всей стране, включены и установлены рядом с пробой воды.

Каждая комната была изолирована, чтобы люди не входили туда, и все параметры среды комнаты были тщательно проверены

Несмотря на меры предосторожности, пробы воды действительно отзывались на силу разума, как и предполагали медитаторы. PH вырос или упал в соответствии с намерениями на 1,5 рН

Шансы на то, что это произойдет случайно, составляют миллион к одному.

Доктор Тиллер также обнаружил, что со временем его эксперименты повлияли на комнату, где проводился эксперимент, еще больше продемонстрировав силу разума над материей. Объект медитации передавал свои качества комнате, так что вода, помещенная в комнату после того, как устройство было удалено, все еще подвергалась влиянию. Тиллер утверждает, что намерение может «изменить пространство», поэтому комнаты могут стать «предопределёнными».

Один из экспериментов Тиллера с влиянием разума на материю успешно продемонстрировал, что намерение заставило плодовых мушек расти на 15% быстрее, чем обычно. Учёный объясняет, что сознание и явления, которые он наблюдал, не ограничены расстоянием или временем. Уил Тиллер пришёл к выводу, что теория относительности и квантовая механика категорически неспособны рассмотреть что-либо, имеющее отношение к сознанию или силе ума.

Доктор Тиллер, почетный профессор Стэнфордского университета, является важным пионером в изучении влияния силы разума на материю.

Сомнительное понятие измерения

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

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

Простой интерферометр

Один способ исследовать вопрос того, когда фотон решает, действовать ли как волна или частица в эксперименте, состоит в том, чтобы использовать метод интерферометра. Вот простая схематическая диаграмма интерферометра в двух конфигурациях:

Если единственный фотон испускается в порт входа аппарата в нижнем левом углу, это немедленно сталкивается со светоделителем. Из-за равных вероятностей для передачи или отражения фотон продолжится прямо вперед, будет отражен зеркалом в нижнем правом углу и будет обнаружен датчиком наверху аппарата, или это будет отражено светоделителем, ударит зеркало в верхнем левом углу, и появляться в датчик на правом краю аппарата. Замечая, что фотоны обнаруживаются в равных количествах в этих двух датчиках, экспериментаторы обычно говорят, что каждый фотон вел себя как частица со времени ее эмиссии ко времени ее обнаружения, поехал или одним путем или другим, и далее подтверждает, что его характер волны не был показан.

Если аппарат будет изменен так, чтобы второй разделитель луча был помещен в верхний правый угол, то эти два датчика покажут эффекты взаимодействия. Экспериментаторы должны объяснить эти явления как последствия природы волны света. Они могут подтвердить, что каждый фотон еще, должно быть, поехал обоими путями как волна, что фотон, возможно, не вмешался в себя.

Так как ничто иное не изменилось от экспериментальной конфигурации до экспериментальной конфигурации, и так как в первом случае фотон, как говорят, «решает» поехать как частица, и во втором случае это, как говорят, «решает» поехать как волна, Уилер хотел знать, могло ли бы, экспериментально, время быть определено, в котором фотон принял свое «решение». Было бы возможно позволить фотону пройти через область первого светоделителя, в то время как не было никакого светоделителя во втором положении, таким образом заставляя его «решить» поехать, и затем быстро позвольте второму светоделителю появиться в его путь? По-видимому съездив как частица до того момента, разделитель луча позволил бы ему пройти и проявиться, как был бы частица, которой второй разделитель луча не должен был быть там? Или, это вело бы себя, как будто второй светоделитель всегда был там? Это проявило бы эффекты взаимодействия? И если это действительно проявляло эффекты взаимодействия затем, чтобы сделать так, это, должно быть, возвратилось вовремя и изменило свое решение о путешествии как частица к путешествию как волна

Обратите внимание на то, что Уилер хотел исследовать несколько гипотетических заявлений, получая объективные данные

Альберту Эйнштейну не нравились эти возможные последствия квантовой механики. Однако, когда эксперименты были наконец разработаны, который разрешил и версию двойного разреза и версию интерферометра эксперимента, было окончательно показано, что фотон мог начать свою жизнь в экспериментальной конфигурации, которая призовет, чтобы он продемонстрировал свой характер частицы, закончился в экспериментальной конфигурации, которая призвала бы, чтобы он продемонстрировал свой характер волны, и что в этих экспериментах это будет всегда показывать свои особенности волны, вмешиваясь в себя. Кроме того, если бы эксперимент был начат со второго светоделителя в месте, но это было удалено, в то время как фотон был в полете, то тогда фотон неизбежно обнаружился бы в датчике и не показал бы любой признак эффектов взаимодействия. Таким образом, присутствие или отсутствие второго светоделителя всегда определяли бы «волну или частицу» проявление. Много экспериментаторов достигли интерпретации результатов эксперимента, которые сказали, что изменение в заключительных условиях задним числом определит то, чем фотон «решил» быть, поскольку это входило в первый светоделитель. Как упомянуто выше, Уилер отклонил эту интерпретацию.

Квантовый ластик с отложенным выбором

В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. (Подробно англ., видео англ.)

Описание опыта

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями (щелями), позади которого устанавливается проекционный экран. Ширину прорезей стараются сделать как можно ближе к длине волны излучаемого света (влияние ширины прорезей на интерференцию рассматривается ниже). На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос, что и было продемонстрировано Томасом Юнгом.

Если исходить из того, что свет состоит из частиц (корпускулярная теория света), то на проекционном экране можно было бы увидеть только две параллельные полосы света, прошедшие через щели. Между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещённым.

С другой стороны, если предположить, что свет представляет собой распространяющиеся волны (волновая теория света), то, согласно принципу Гюйгенса, каждая щель является источником вторичных волн.

Вторичные волны достигнут точек, находящихся на равном удалении от щелей, в одной фазе, следовательно, на серединной линии экрана их амплитуды сложатся, что создаст максимум яркости. То есть, главный, наиболее яркий максимум окажется там, где, согласно корпускулярной теории, яркость должна быть нулевой. Боковые максимумы расположатся симметрично по обеим сторонам в точках, для которых разность хода световых пучков равна целому числу волн.

С другой стороны, в тех точках на удалении от центральной линии, где разность хода равна нечётному числу полуволн, волны окажутся в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создаст минимумы яркости (тёмные полосы).

Таким образом, по мере удаления от средней линии яркость периодически изменяется, возрастая до максимума и снова убывая.

«Алмазная галька»

Сеть противоракетных спутников с поэтичным названием. /Фото: trinixy.ru

Программа «Алмазная галька» (в других переводах — «Бриллиантовая галька») разрабатывалась в рамках так называемой Стратегической Оборонной Инициативы (сокр. СОИ, также «звездные войны»), которая, в свою очередь, представляла собой глобальную противоракетную сеть США в период Холодной войны. Ее начало объявил президент Рональд Рейган 23 марта 1983 года, а состояла она как из научно-исследовательской деятельности в данном направлении, так и опытно-конструкторских проектных работ.

Согласно сохранившимся свидетельствам, программа «Алмазная галька» была предложена в 1986 году и предусматривала создание сети из 4000 военных кинетических спутников-перехватчиков, которые должны были сбивать советские ракеты с помощью с помощью кинетического удара при прямом столкновении. Именно данная система считалась наиболее перспективной среди ряда других разработок программы СОИ, однако это не обеспечило ей достойного будущего, которое разбилось об исторический контекст. Проект не был реализован в конце 1980-х, а после развала СССР в нем уже не было необходимости, и его закрыли в 1994 году.

Квантовое сознание и квантовый мозг

На сегодняшний день можно найти немало интересных подходов и разработок, пытающихся объяснить работу центральной нервной системы и процессов, происходящих в нейронах, с точки зрения квантовой механики. Мозг представляется нейро-квантовым компьютером. Важная его особенность состоит в том, что он по своей природе способен создавать неделимые целостные образы, в которых отражается содержание мыслительных процессов. И это как раз и говорит о его квантовых способностях. Пионерами в этой области стали ученые Стюарт Хамерофф и Роджер Пенроуз. Благодаря их теории квантового нейрокомпьютинга с 1995 года стали более детально изучаться на квантовом уровне нейрофизиологические процессы.  

Беря во внимание это положение, можно сказать, что все мысли обусловлены определенными положениями нейронов и их сетей. Причем они касаются не только отдельных мыслительных актов, но и всей психики вообще

С помощью этого механизма можно описать любой выбор, совершаемый сознанием, т.к

оно выбирает какой-то один вариант из многообразия вариантов и образов действительности, которые хранятся в области бессознательного в опыте человека. Важно заметить, что упомянутая нами выше теория квантового нейрокомпьютинга ставит акцент на значении особых микротубул. Они представляют собой белковые образования и составляют цитоскелет мозговых нейронов, являются самоорганизующимися системами, принимающими участие в возникновении и организации квантовых колебаний мозга.Миткротубулы помогают организовывать и регулировать синаптические связи и высвобождать нейромедиаторы, передавать информацию между клетками и перерабатывать ее

Они вступают в межклеточное взаимодействие и организуют целостные клеточные структуры. Но интереснее всего то, что эти микротубулы пустые внутри, а значит, наши представления о реальности рождаются, можно сказать, из пустоты. Опираясь на эти данные, современные ученые предлагают очень необычные футуристические прогнозы на тему развития квантовой фармакологии. В частности, они говорят, что в обозримом будущем появятся возможности для более эффективного лечения психических расстройств и даже для изменения реальности, воспринимаемой человеком, на альтернативную, причем достаточно будет для этого всего одной таблетки.  

Работа Сперри показала, что правое полушарие отвечает за бессознательное, чувственное, интуитивное и нелинейное мышление. Оно не ощущает видимых причинно-следственных связей, из чего вытекает состояние неопределенности будущего, т.к. реализоваться могут совершенно разные непредсказуемые случайности. Сознание сразу видит возможные варианты развития событий, и осуществляет выбор на основе интуиции. И это прекрасно сходится с парадоксами квантовой механики. В мозге насчитывается примерно 100 миллиардов нейронов, отчего становится очевидным его невероятный созидательный и творческий потенциал. Однако было бы неверно соотносить сознание лишь со структурой мозга, т.к. это мгновенно вернуло бы нас к идеям материализма, и напрочь отсекло идеи идеализма и дуализма. В действительности это очень сложная проблема, и ответить на вопрос, является ли такое положение вещей чем-то непостижимым для понимания или фундаментальным образованием Вселенной, невозможно, по крайней мере, пока. Попытки создать обобщенную и формализованную теоретическую модель сознания до сих пор успехом не увенчались. И нельзя сказать однозначно: может ли вообще быть создана подобная модель. Т.к. человек сам есть носитель сознания, для познания этого сознания нужно перейти на более высокий уровень сознательности.   

Классическая и квантовая теории

Общая теория относительности известна как классическая теория поля, которая описывает вселенную как непрерывное распределение цифр — точных цифр, если ваши инструменты достаточно точны, чтобы измерить их, — которые расскажут вам все о кривизне пространства и времени. Кривизы, в свою очередь, полностью описываются распределением и движением массы и энергии. Как говорил Джон Уилер:

Но квантовая теория совершенно другая. В квантовой теории частицы взаимодействуют, посылая между собой частицы. Электричество, например, посылает фотоны между заряженными частицами, сильное взаимодействие задействуют глюоны, а слабое — W- и Z-бозоны.

Нам даже не надо нырять в черную дыру, чтобы увидеть конфликт между классической и квантовой теориями. Рассмотрим знаменитый эксперимент «с двумя щелями». Пучок электронов (или фотонов, или других частиц) пролетает сквозь экран с двумя тонкими щелями на нем. Из-за квантовой неопределенности невозможно предсказать, сквозь какую из щелей пролетит электрон. И он пролетает сразу через две щели. Это похоже на обман, но в контексте гравитации он еще более хитроумный. Если электрон проходит сквозь одну щель, он наверняка создает гравитационное поле, отличное от того, которое возникает при прохождении через другую щель.

Все станет еще более странным, когда вы поймете, что согласно эксперименту Уилера с задержкой выбора, становится возможным настроить эксперимент так, что когда вы уже запустите его, вы сможете ретроспективно наблюдать систему и заставить электрон проходить через одну или другую щель (хоть вы и не можете выбрать, сквозь какую).

Мир гравитации должен быть полностью детерминированным, но квантовая механика — совсем наоборот.

Есть и другая глубокая проблема. В отличие от электричества, которое влияет только на заряженные частицы, гравитация влияет на все. Все формы массы и энергии взаимодействуют с гравитацией и создают гравитационные поля. И в отличие от электричества, не существует негативной массы, которая свела бы на нет положительную.

Мы можем представить квантовую теорию гравитации в принципе. Как и с другими силами, будет частица-посредник под названием гравитон, которая переносила бы сигнал.

Мы могли бы представить меньшие масштабы и увидеть, как все больше и больше виртуальных гравитонов снуют между частицами. Проблема в том, что на меньших масштабах возрастают энергии. Ядро атома требует больше энергии, чтобы разбиться на части, чем снятие электрона с орбиты, например.

На малых масштабах рой высокоэнергетических виртуальных гравитонов будет производить невероятно плотную энергию, и вот тут начнутся проблемы. Гравитация вроде бы должна наблюдать все формы энергии, но здесь мы будем производить бесконечное число высокоэнергетических частиц, которые будут создавать мощное гравитационное поле. Возможно, вы видите, в чем сложность. К концу дня, все вычисления утыкаются в целый букет бесконечностей, витающих вокруг.

В электромагнетизме и других квантовых взаимодействиях вычисления начинают спотыкаться на очень малых масштабах, известных как «планковская длина», примерно 10^-35 м — намного меньше атома. Отдавая дань традиции, отметим, что физики не имеют никакого понятия о том, как работает физика на масштабах меньше планковской длины. На этих масштабах, говорит квантовая механика, могут возникать черные дыры, там царит случайность, и само пространство-время покрывается рябью, когда вы смотрите на него так близко. Там дивный новый мир.

Мы стараемся избежать этих столкновений теорий с помощью процесса, известного как «перенормировка». Перенормировка — это просто забавный способ выражения того, что мы проводим вычисления до определенного масштаба, а потом останавливается. Это позволяет избавиться от бесконечностей в большинстве теорий и спокойной вздохнуть. Поскольку большинство сил включают только различия между двумя энергиями, не имеет особого значения, вычислите вы полное число или нет.

Однако не все так оптимистично смотрели на это. Великий Ричард Фейнман отмечал:

Опустим эти возражения. Все становится еще хуже, когда мы говорим о гравитации. Дело в том, что поскольку (в отличие от электромагнетизма) гравитация влияет на все частицы, бесконечные энергии будут означать разные кривые. Перенормировка даже в самом лучшем случае не подойдет. Мы не избавимся от бесконечностей.

Последствия

Ретропричинность

Эксперименты с отложенным выбором (англ.)русск. ставят вопросы о времени и временных последовательностях и тем самым ставят под вопрос наши обычные представления о времени и причинности. Если события в D₁, D₂, D₃, D₄ определяют результаты в D, то эффект, кажется, предшествует причине. Если бы холостые лучи света были значительно удлиненны, так чтобы прошел год, прежде чем фотон появится в D₁, D₂, D₃ или D₄, то, когда фотон появится в одном из этих детекторов, это стало бы причиной появления сигнального фотона в определённом режиме годом ранее. Другими словами, знание будущей судьбы холостого фотона будет определять активность сигнального фотона в его собственном настоящем. Ни одна из этих идей не соответствует обычному человеческому ожиданию причинности. Однако знание будущего, которое могло бы быть скрытой переменной, было опровергнуто в экспериментах.

Эксперименты, включающие запутывание, показывают явления, которые могут заставить некоторых людей засомневаться в своих обычных представлениях о причинной последовательности. В квантовом ластике с отложенным выбором интерференционная картина будет формироваться в D_0, даже если данные о пути, относящиеся к формирующим её фотонам, будут стерты после того, как сигнальные фотоны попадают на первичный детектор. но недоумение вызывает не только эта особенность эксперимента; D может в принципе быть на одной стороне вселенной, а остальные четыре детектора могут быть «на другой стороне вселенной» друг относительно друга.

Тем не менее, интерференционную картину можно наблюдать задним числом только после того, как были зафиксированы холостые фотоны, и экспериментатор получил о них информацию, и когда экспериментатор смотрит на определённые подмножества сигнальных фотонов, которые сопоставляются с прошедшими конкретные детекторы их холостыми парами.

Более того, очевидное обратное действие исчезает, если эффекты наблюдений за состоянием запутанного сигнального и холостого фотонов рассматриваются в их историческом порядке. В частности, в случае, когда обнаружение/удаление информации о каком-либо пути происходит перед обнаружением в D, стандартное упрощенное объяснение гласит: «Детектор D_i, в котором обнаружен холостой фотон, определяет распределение вероятности в D для сигнального фотона «. Аналогичным образом, в случае, когда Dпредшествует обнаружению холостого фотона, следующее описание является точно таким же верным: «Положение в D детектируемого сигнального фотона определяет вероятности попадания холостого фотона в D₁, D₂, D₃ или D₄». Это просто эквивалентные способы формулирования корреляций наблюдаемых запутанных фотонов интуитивным причинно-следственным путем, поэтому можно выбрать любой из них (в частности, тот, где причина предшествует следствию и в объяснении нет ретроградного действия).

Общая картина сигнальных фотонов на первичном детекторе никогда не дает интерференции (см. Рис. 5), поэтому невозможно определить, что произойдет с холостыми фотонами, наблюдая только за сигнальными фотонами. Квантовый ластик с отложенным выбором не передает информацию ретро-причинно-следственной связью, потому что для сортировки наложенных данных в сигнальных фотонах на четыре потока, которые отражают состояния холостых фотонов на четырёх разных детекторах, требуется другой сигнал, который должен поступить с помощью процесса, который не может идти быстрее скорости света.

Фактически, теорема, доказанная Филиппом Эберхардом, показывает, что, если верны принятые уравнения релятивистской квантовой теории поля, должно быть невозможно экспериментально нарушить причинность, используя квантовые эффекты (См. ссылку для трактовки, подчеркивающей роль условных вероятностей.).

В дополнение к оспариванию наших здравых представлений о временной последовательности в причинно-следственных связях, этот эксперимент относится к числу тех, которые серьёзно атакуют наши представления о локальности, — идеи о том, что вещи не могут взаимодействовать, если они не находятся в контакте, будь то непосредственный физический контакт или, по крайней мере, путем взаимодействия через магнитные или другие явления, подобные полям.

Против консенсуса

Несмотря на доказательства Эберхарда, некоторые физики предположили, что эти эксперименты могут быть изменены таким образом, чтобы это соответствовало предыдущим экспериментам, но могло бы допускать нарушения экспериментальной причинности.