Как наблюдатель влияет на частицу

Что такое эффект наблюдателя в квантовой механике?

Основы квантовой физики

Область квантовой механики была в первую очередь основана на трех столпах. Первый из этих столпов известен как квантованные свойства. Квантованные свойства задают положение, скорость, цвет и другие свойства частицы, которые могут возникать только в заданных количествах времени и экземпляров. Это находится в прямом противоречии с верой, сложившейся в устоявшейся области классической механики, а именно в том, что все происходит в гладком и непрерывном спектре. Это было что-то, что ученые нашли очень новым и в конечном итоге назвали эти частицы квантованными частицами.

Вторая опора квантовой механики относится к природе частиц света. Сначала идея о том, что свет может вести себя и быть классифицированным как частица, столкнулась с колоссальной критикой, поскольку она противоречила устоявшемуся принципу, согласно которому свет имеет волнообразную природу.

Тем не менее природа частиц света принесла фундаментальную единицу, которая могла представлять крошечные энергетические пакеты, известные как кванты. Это было предложено никем иным, как самим Альбертом Эйнштейном. Эйнштейн предположил, что пакет энергии может либо генерироваться, либо поглощаться в целом, в частности, электроном, который хочет перейти из одного квантового состояния в другое.

Они использовали два принципиально разных математических подхода, чтобы доказать волнообразную природу материи. Позже, оба ученых были признаны за их вклад, и их идея была совместно названа моделью Гейзенберга-Шредингера. Гейзенберг сделал еще один важный вклад в квантовую механику. Хотя это и не так важно, как фундаментальные основы, оно сыграло значительную роль и известно как принцип неопределенности Гейзенберга. Он рассуждал, что, поскольку природа вещества подобна волне, некоторые свойства, такие как скорость и положение электронов, дополняют друг друга. Проще говоря, существует предел, до которого каждое свойство электрона может одновременно измеряться с определенной степенью точности.

Наблюдение влияет на реальность

Когда квантовый «наблюдатель» наблюдает, квантовая механика утверждает, что частицы также могут вести себя как волны. Это может быть справедливо для электронов на субмикронном уровне, то есть на расстояниях менее одного микрона или одной тысячной миллиметра. Когда они ведут себя как волны, электроны могут одновременно проходить через несколько отверстий в барьере, а затем снова встречаться на другой стороне. Эта встреча известна как вмешательство. Теперь самое абсурдное в этом феномене заключается в том, что оно может возникнуть только тогда, когда его никто не наблюдает.

Как только наблюдатель начинает наблюдать частицы, проходящие через отверстие, полученное изображение резко меняется: если можно увидеть частицу, проходящую через одно отверстие, ясно, что она не прошла через другое отверстие. Другими словами, под наблюдением электроны более или менее вынуждены вести себя как частицы, а не как волны. Таким образом, сам акт наблюдения влияет на экспериментальные результаты.

Чтобы продемонстрировать это явление, Институт Вейцмана построил крошечное устройство размером менее одного микрона с барьером с двумя отверстиями. Затем они направили поток электронов к барьеру. Наблюдатель в этом эксперименте не был человеком. Вместо этого они использовали крошечный детектор электронов, который мог обнаружить присутствие проходящих электронов.

Способность квантового «наблюдателя» обнаруживать электроны может быть изменена путем изменения его электрической проводимости или силы тока, проходящего через него. Помимо «наблюдения» или обнаружения электронов, детектор не влиял на ток. Тем не менее ученые обнаружили, что само присутствие «наблюдателя» детектора возле одного из отверстий вызывало изменения в интерференционной картине электронных волн, проходящих через отверстия барьера.

По факту, этот эффект зависел от «количества» наблюдения: когда способность «наблюдателя» обнаруживать электроны увеличивалась, другими словами, когда уровень наблюдения повышался, помехи ослабевали; напротив, когда его способность обнаруживать электроны была снижена, а наблюдение ослаблено, помехи увеличились. Таким образом, контролируя свойства квантового наблюдателя, ученым удалось контролировать степень его влияния на поведение электронов!

Источник

Эффект наблюдателя в квантовой физике

Квантовая физика является одной из самых молодых и, пожалуй, наиболее интересных для понимания и изучения наук.

Днём рождения квантовой физики признаётся 14 декабря 1900 года — момент, когда на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввёл понятие кванта — неделимой порции определённой величины (чаще всего энергии).

К тому времени самым загадочным явлением в научных кругах всё ещё считался свет, о природе которого на протяжении нескольких веков продолжали спорить физики: даже после проведения знаменитого впоследствии опыта Юнга.

Именно благодаря дискуссиям о природе света учёным удалось открыть свойство квантово-волнового дуализма (корпускулярно-волнового дуализма), а после и эффект наблюдателя.

В статье мы постараемся проследить хронологию исследований световых свойств и дать объяснение эффекту наблюдателя простыми словами.

Эволюция представлений о природе света

Прежде чем установить явление корпускулярно-волнового дуализма, учёные-физики пытались по-своему толковать свет и его свойства.

Человек начал рассуждать о природе света ещё в доисторическом периоде. Тогда считалось, что свет является зрительным механизмом — он изображался как луч света, исходящий из глаза.

Четыре стихии Эмпедокла

Позднее, в пятом веке до нашей эры, древнегреческий учёный Эмпедокл развивал свою теорию о том, что всё, что нас окружает, состоит из четырёх стихий: земля, воздух, вода и огонь. В этой концепции свет представлял собой одну из разновидностей форм огня.

Эмпедокл предполагал, что из глаза свет направлялся к объекту, который человек видел. Солнце в этой системе играло лишь вспомогательную роль: оно не испускало свет как глазной огонь, но приводило в действие его путь.

Атомизм, Демокрит и Аристотель

Современник Эмпедокла Демокрит, древнегреческий философ и один из основоположников атомизма (теории, согласно которой вся существующая материя состоит из неделимых единиц вещества — атомов), считал, что свет, как и все окружающие нас предметы, состоит из частиц, подобных атомам.

Уже в четвёртом веке до нашей эры Аристотель, опираясь на представление о том, что вся материя состоит из четырёх элементов, думал, что свет — возбуждение воздушной стихии.

Диоптрика Декарта

Первое объяснение природе света, отдалённо напоминающее сформировавшуюся позже волновую теорию, дал Декарт в своём труде «Диоптрика» (1637 год). Он описывал свет так:

«Определённый вид движения, или быстрое и живое действие, которое передаётся нашим глазам через толщу воздуха и других прозрачных тел, подобно тому, как движение или сопротивление тел, с которыми сталкивается человек, передаётся его рукам посредством палки».

Можно наблюдать, что физики постепенно отходили от древнегреческой модели света как порождения той или иной первородной стихии (огня или воздуха). Начала складываться концепция понимания природы света как волны, а вместе с тем и противодействующая ей гипотеза потока частиц.

Корпускулярная и волновая теории света

Но настоящая борьба двух теорий началась в семнадцатом веке, когда в 1672 году Исаак Ньютон дал краткий ответ о результатах исследований, которыми он хотел опровергнуть предположение Декарта и доказать корпускулярную природу света. Этот ответ был опубликован в журнале «Философские труда Королевского общества» («Philosophical Transactions of the Royal Society»).

Заметка Ньютона в целом вызвала положительную реакцию, однако один учёный-физик резко высказался против теории Ньютона и написал объёмный отзыв с критикой, породив тем самым вражду длиною в жизнь. Автором данного критического ответа был Роберт Гук.

Гук настаивал, что, проведя те же опыты, получил диаметрально противоположный результат, поэтому подвергал сомнению заявление своего коллеги. На протяжении многих лет учёные-физики обменивались письмами, в которых старались защитить свою позицию: Ньютон отстаивал правдивость корпускулярной природы света, а Гук был уверен в справедливости волновой.

В итоге Гук, будучи уверенным в своей правоте, в 1760-е опубликовал волновую теорию света. Его идею продолжил развивать Христиан Гюйгенс и в 1790-е выпустил «Трактат о свете», в котором объяснил такие явления, как отражение и преломление.

На протяжении этого же периода времени Ньютон собирал, систематизировал и обобщал информацию о своей теории света, которую он изложил в своём труде «Оптика», выпущенном в 1704 году.

Описывая свет как корпускулы, Ньютон решил, что свойства света лучше всего объясняются рассмотрением света как потока частиц. Например, явление преломления происходило вследствие изменения частицей направления своего движения из-за воздействия на неё внешних сил.

Преломление — свойство света, приводящее к изменению направления луча при переходе из одного вещества в другое.

Корпускулярная теория также объясняла отражение, которое являлось столкновением светового луча с поверхностью определённого вещества и дальнейшим отталкиванием от неё.

Можно заключить, что и волновая, и корпускулярная теории имели свои плюсы и минусы — достоинства и недоработки.

Благодаря авторитету Исаака Ньютона большинство научного сообщества продолжало считать свет потоком частиц, хотя сторонники волновой теории также проводили исследования в доказательство справедливости своей точки зрения. И один из таких экспериментов просто перевернул мир.

Опыт Юнга с двумя щелями и явление интерференции

В 1801 году Томас Юнг провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он создал конструкцию с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его полностью. Юнг увидел на листе бумаги светлые и тёмные полосы, что свидетельствовало о наличии у света явления интерференции.

Интерференция — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.

Световые волны, исходящие из двух щелей, интерферировали друг с другом (накладывались друг на друга), вследствие чего на экране появлялись светлые полосы (усиливающая интерференция) и тёмные полосы (ослабляющая интерференция).

Опыт Юнга изменил сознание современников — с того момента весь научный мир считал свет волной и продолжал развивать и дорабатывать эту теорию, закрывая пробелы и разрешая парадоксы. Оставалось дать объяснение многим деталям, наиболее таинственной из которых оставался вопрос о прохождение волн сквозь пустое пространство, в частности через космический вакуум, так как для их распространения нужна среда.

Учёные начали совершенствовать старую теорию невидимого эфира, заполняющего собой всё пространство. Эфир должен был представлять собой вещество, не оказывающее сопротивления проходящим через него объектам, но в то же время способное переносить свет на огромные расстояния, измеряющиеся миллионами километров.

Параллельно с развитием и поиском подтверждения теории эфира сторонники концепции волновой природы света продолжали доказывать её справедливость. Очередным указанием стало определение скорости света в разных средах.

Согласно корпускулярной теории скорость света должна увеличиться при переходе из менее плотной среды в более плотную. Однако исследования Жана Бернарда Леона Фуко и Армана Ипполита Луи Физо показали обратный результат, что соответствовало волновой природе света.

Свет как электромагнитная волна и фотоэлектрический эффект

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свой двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором описал свет как электромагнитную волну и смог рассчитать его скорость:

Она (подразумевается вычисленная скорость) настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьёзное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн.

Однако теория Максвелла имела недостаток — она строилась на модели механического эфира. В 1887 году Альберт Майкельсон и Дэвид Морли провели опыт, желая доказать существование эфира, но результат оказался диаметрально противоположным. Тогда учёным-физикам пришлось обратиться к концепции Майкла Фарадея о существовании электрических и магнитных полей.

Теорию Максвелла собирался подтвердить Генрих Рудольф Герц, но открыл явление фотоэффекта, которое заставило научное сообщество вспомнить о существовании корпускулярной теории света.

Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка (энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами).

Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.

Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества.

При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость. Формула:

где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

В итоге физики смогли прийти к заключению и открыли новое явление: корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм (квантово-волновой дуализм) — явление, заключающееся в том, что материальные объекты при одних определённых условиях ведут себя как классические волны, а при других — как классические частицы.

В 1923 году Луи де Бройль предположил, что не только свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом — но и элементарные частицы.

Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, обладающие определёнными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Наукой, которая рассматривает объекты с точки зрения квантово-волнового дуализма, стала квантовая механика.

Чтобы наглядно представить явление квантово-волнового дуализма, вернёмся к уже знакомому нам эксперименту Томаса Юнга — опыта с двумя щелями.

Через щели теперь будут пропускать лишь одну элементарную частицу — электрон. Квантовая механика демонстрирует нам удивительную картину: пока данная элементарная частица не попадёт на экран, она не будет занимать определённого положения в пространстве.

Частица не летит по какой-либо траектории — её «путь» представляет собой систему эволюционирующего набора вероятностей того, какими путями она может двигаться. В данный момент времени эта частица находится нигде. А когда мы начинаем непосредственное наблюдение, мы видим мы её лишь в одном из всех возможных положений.

Здесь мы и знакомимся с эффектом наблюдателя.

Эффект наблюдателя простыми словами

Эффект наблюдателя — теория, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

В квантовой механике термин «наблюдатель» используется в значении, когда мы что-то измеряем. Если в макромире нам достаточно применить какой-либо измерительный прибор (например, нам нужно узнать длину простого карандаша — мы используем для этой цели линейку), чтобы узнать точное или приблизительное значение, то в микромире любая попытка наблюдения (измерения) изменит квантовую систему.

Проще всего это демонстрируется при помощи мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера.

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда.

Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50.

Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно. Когда же мы открываем ящик, то видим перед собой кота лишь в одном из возможных состояний.

Более поздние исследования показали, что наблюдение как изменение свойств объектов микромира распространяется не только на одну конкретную частицу, но и на другие объекты, находящиеся во взаимодействии с ней. Из этого следует эффект квантовой запутанности. Вкратце это:

Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий.

Заключение

Эффект наблюдателя, безусловно, входит в разряд величайших научных открытий, изменивших мир, как и вся квантовая физика.

Если сравнить взгляды на разные явления, которые встречаются в нашей жизни повседневно, с взглядами на них древнегреческих философов или научных деятелей семнадцатого века, то станет ясно, что современная наука проделала огромный путь.

Мы смотрим на мир другими глазами, зная о новейших научных открытиях и экспериментах. Конечно, квантовой физике ещё предстоит решить множество парадоксов и найти ответы на сложные вопросы. Для этого необходимо изучать науку — вы, кстати, можете ознакомиться с фундаментальными трудами ниже (после Q&A) и изучить вопрос основательнее.

Источник

Ещё раз про эффект наблюдателя

Эксперимент с частицами, который описан выше, так же применим к вопросу «А есть ли Бог?». Потому как, если при зорком внимании Наблюдателя то, что имеет волновую природу может пребывать в состоянии материи, реагируя и меняя свои свойства, то кто внимательно наблюдает за всей Вселенной? Кто удерживает в стабильном состоянии всю материю своим вниманием?Как только у личности в её восприятии появляется допущение того, что она может жить в качественно другом мире (например, в мире Бога), только тогда она, личность, и начинает изменять свой вектор развития в эту сторону, и шансы пережить данный опыт многократно увеличиваются. То есть, достаточно просто допустить возможность такой реальности для себя. Следовательно, как только человек принимает возможность приобретения такого опыта, он действительно начинает его приобретать. Этому есть подтверждение и в книге «АллатРа» Анастасии Новых:

«Всё зависит от самого Наблюдателя: если личность воспринимает себя частичкой (материальным объектом, живущим по законам материального мира), она будет видеть и воспринимать мир материи; если же личность воспринимает себя волной (чувственные переживания, расширенное состояние сознания), то она воспринимает мир Бога и начинает его понимать, жить им.»
В вышеописанном опыте наблюдатель неминуемо влияет на ход и результаты эксперимента. То есть, вырисовывается очень важный принцип: невозможно наблюдать за системой, измерить и проанализировать её, не взаимодействуя с ней. Где есть взаимодействие, там есть изменение свойств.
Мудрецы говорят, что Бог – везде. Не подтверждают ли наблюдения за нано частицами это утверждение? Не являются ли данные эксперименты подтверждением того, что вся материальная Вселенная так же взаимодействует с Ним, как, к примеру, Наблюдатель взаимодействует с фотонами? Не показывает ли этот опыт, что всё, куда направлено внимание Наблюдателя, пронизано самим ним? Ведь, с точки зрения квантовой физики и принципа «Эффекта Наблюдателя», это неизбежно, так как во время взаимодействия квантовая система теряет свои изначальные черты, изменяясь под влиянием более крупной системы. То есть, обе системы взаимно обмениваясь в энерго-информационном плане, видоизменяют друг-друга.

Если развить этот вопрос дальше, то получается Наблюдатель предопределяет реальность, в которой потом и живёт. Это проявляется как следствие его выбора. В квантовой физике есть понятие множественности реальностей, когда перед Наблюдателем находятся тысячи возможных реальностей, пока он не сделает свой окончательный выбор, тем самым выбирая лишь одну из реальностей. И когда он сам для себя выбирает свою собственную реальность, он сосредотачивается на ней, и она проявляется для него (или он для неё?).
И опять же, принимая во внимание тот факт, что человек живёт в той реальности, которую сам же и поддерживает своим вниманием, то приходим к тому же вопросу: если вся материя во Вселенной держится на внимании, то Кто держит саму Вселенную своим вниманием? Не доказывает ли этот постулат существование Бога, Того, Кто может созерцать всю картину целиком?

Разве это не свидетельствует о том, что наш разум напрямую вовлечён в работу материального мира? Вольфган Паули, один из основателей квантовой механики, как-то сказал: «Законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие». Можно с уверенностью сказать, что господин Паули был прав. Это уже очень близко к всемирному признанию: материальный мир – суть иллюзорное отображение нашего разума, и то, что мы видим зрением, на самом деле реальностью не является. Тогда что такое реальность? Где она находится, и как ее узнать?
Всё больше и больше учёные склоняются к мнению, что и мышление человека точно так же подчиняется процессам пресловутых квантовых эффектов. Жить в иллюзии, нарисованной разумом, или открыть для себя реальность — это каждый для себя выбирает сам. Мы лишь можем вам порекомендовать ознакомиться с книгой АллатРа, которую цитировали выше. Эта книга не только научно доказывает существование Бога, но и подробно дает пояснения всех существующих реальностей, измерений, и даже раскрывает структуру энергетической конструкции человека. Скачать эту книгу вы можете совершенно бесплатно с нашего сайта, кликнув по цитате ниже, или перейдя в соответствующий раздел сайта.

Источник

Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов

Михаил Петров

Никто в мире не понимает квантовую механику — это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция — математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому — тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов — медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики — объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах — крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр — около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте — крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно — после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись — теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье, опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать — просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть иллюзорное порождение нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» — комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин — декогеренция.

Дело вот в чем — во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» — необратимый с точки зрения термодинамики процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните — сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность — выбирать приходится каждому из нас.

Источник