В комментариях к статье: Может ли физика доказать существование Бога, или ученые просто не понимают законы природы? у меня состоялся диалог с пользователем, называющим себя Василий Евстафьев, который когда речь зашла о принципе неопределённости Гейзенберга среди прочего написал следующее:
«Элементарным частицам законами квантовой механики запрещено иметь место и координата положения в пространстве. Частица вообще может находиться в двух местах одновременно.»,
а потом и вовсе мягко наехал:
«Если принципы квантовой механики для вас неубедительны - это ваша проблема.»
Потом мы разошлись полюбовно, но осадок у меня остался. Может это я что недопонимаю? И стал разбираться.
Может ли частица находиться в двух или более местах одновременно?
Нет, не может, и вот почему. Тут мы залезаем в зыбкую область семантики, поэтому надо попытаться избежать двусмысленностей при употреблении слова частица. Примем, что у частицы есть характеристики, масса положение в пространстве, скорость, заряд, спин и так далее. Если сказать, что частица может быть в нескольких местах одновременно, то это значит, что таких однозначных числовых характеристик у частицы не существует. Одновременно два утверждения, что у частицы есть определённая масса и она может быть в двух местах в одно и тоже время, приводит к тому, что масса частицы может удваиваться произвольным и случайным образом.
Обязательно ли характеристики частицы выражаются одним числом?
Это интересный вопрос. Допустим, что ответ – нет, не обязательно. Допустим, что и положение и масса частицы (*ограничимся этими двумя характеристиками, если придём к некому выводу, то их можно распространить на другие) могут быть "размазаны" в пространстве неким образом, с весовой функцией соответствующей функции вероятности Шредингера.
Итак. Если интерпретировать функцию вероятности для частицы находится в области пространства не как вероятность, а как то, что частица размазана по пространству и «находится» сама как таковая в неком облаке её возможных положений, то это ничему особенно это не противоречит, вроде бы. Более того именно так и изображается электрон в атомах и молекулах – как облако. Причём,, даже зачастую не упоминается, что это именно функция вероятностей, а не сам электрон.
Итак, мы имеем две возможные модели:
Частица, в том числе электрон, пока он не локализуется в результате взаимодействия с другой частицей, может либо:
- находится в неопределяемом месте с вероятностью, выраженной Шрединговской функцией вероятности. А потом его положение фиксируется с ограничениями, накладываемыми принципом неопределённости.
- сама частица «размывается» в пространстве, как облако, и в момент взаимодействия «схлопывается», также подчиняясь принципу неопределённости.
К обеим интерпретациям есть крайне неудобные вопросы.
Какой вообще механизм «схлопывания»? С какой скоростью это происходит? Судя по скорости, измеренной при «распутывании» запутанных частиц, вроде как мгновенно, выше скорости света.
Что такое функция вероятности? Какой у неё удельный вес? Никакой? Тогда она материальна или нет? Если частица может интерферировать на двух щелях сама с собой (а она может), то какой она путь проделывает? Сразу через все щели одновременно? Это как?
Когда представляешь себе картинку, что в атоме электрон с бешеной скоростью носится по траекториям таким образом, что со стороны его движение видится размытым, как пропеллер вертолёта, то это ещё представимо. С этим можно жить. Но, когда оказывается по той же интерпретации, что электрон перед тем как удариться в фотографическую пластинку невероятное количество раз побегал через две щели, да так, что размылся и превратился на время в волну… Или некие другие, но не менее непредставимые для воображения слова… Не понятно, говоря мягко. Мягко, это потому, что сам факт, что именно так и происходит, это результат эксперимента. Так и есть, если отвлечься от попыток понять, как? А, так...
«Согласно принципу неопределённости, у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость (импульс)» Это особых недоумений не вызывает. Также как и «Микроскоп Гейзенберга» , откуда и пошёл его принцип неопределённости. Если положение электрона определяется на основе взаимодействия с фотоном, а следовательно объектом, имеющим длину волны, то из-за дифракции его, электрона изображение становится размытым. То есть, наблюдатель точно положение и импульс (скорость) электрона определить не может. И всё бы хорошо, но!
Наблюдатель не может определить точное положение электрона из-за несовершенства аппаратуры или потому, что у электрона нет точного положения вообще, пока его не поймали в детектор? Это свойство нашего восприятия действительности или её имманентное устройство?
Ответ – это свойство природы. Очень странное свойство, но именно природы. Одним из прямых доказательств этого является туннельный эффект, позволяющий произойти альфа-распаду ядер. Классическим образом ядра гелия вылететь из ядра тяжёлого элемента не могут из-за потенциального барьера, но из-за того, что их положение неопределённо, с некой вероятностью они могут оказаться за пределами потенциального барьера просто случайно… Тут наблюдатель вообще прямо не участвует – это свойство природное, фундаментальное.
Отсюда корректная формулировка принципа неопределённости должна звучать так: у частицы не существует точного положения и импульса. А потому они и не могут быть точно измерены.
Это странно, спору нет.
Возвращаясь к утверждению, вдохновившему написание этой статьи: «Частица вообще может находиться в двух местах одновременно». Правильно ли оно? Скорее всего, нет. Правильно утверждение, что с некоей вероятностью частица может быть везде. Это именно то, что утверждает квантовая механика. То есть частица может быть: или там, или там. Но не: и там, и там. Запутались? Я тоже.
Попробуем удивиться ещё больше. Зададим себе вопрос, возможно ли создать алгоритм, компьютерную программу, которая симулировала бы пролёт отдельного электрона через две щели и на выходе получалась бы интерференционная картина, а если щель одна, то нет. Если будут поставлены следующие ограничения для алгоритма:
- - пошаговый процесс, то есть из одного состояния следует другое и так пока не надоест;
- - электрон знает о только ближайшем окружении, допустим, хотя это и не принципиально, что это сопоставимое с длиной его волны расстояние. Его длина волны зависит от энергии электрона, но для грубой оценки за порядок величины можно принять за 10^-11 = 10 пм.
Автор, как человек, разработавший алгоритм и программу симуляции процессов на поверхности растущего кристалла , берёт на себя смелость утверждать, что такой алгоритм неосуществим. Его создать невозможно. Почему? Представим себе, что виртуальный электрон на пути либо встречает щель, либо нет, либо две щели. До того, как он подлетит к одной из щелей, независимо от того будет его движение рассчитываться при помощи генератора случайных чисел или ещё любым способом, он не будет знать, что щель существует. Подлетел и теперь должен узнать, щель одна или есть ещё другие где-то в стороне. Это противоречит второму условию для создания такого алгоритма. Следовательно, такую программу создать невозможно.
А какую можно?
Можно такую, когда электрон знает о его всём окружении в любой момент симуляции. Откуда, спросите вы? Вот именно, отвечу я.
Это странно очень поскольку из этого можно сделать вывод, что согласно квантовой теории существует только один объект – реальность, которая знает о себе всё и сразу, а разделение реальности на частицы это только иллюзия нашего мышления.