Научный принцип, который можно кратко сформулировать как "недоверие всему без верификации и доверие всему, что прошло верификацию" родился в 17-м веке под натиском самых фундаментальных теорий и экспериментов, о которых мы можем сейчас говорить. Но физической картиной мира пользовались за долго до ее формализации. Каждая точка точка этой картины была тщательно выверена и... безжалостно стерта... физикой 20-ого века.
Таким образом, сюжет физики - это рождение и гибель понятной и непротивореивой идеи миропонимания. Отражая этот сюжет, любой курс физики - школьный, институтский, набор учебников или заданий ЕГЭ, - начинается с классической механики, зажигающей огонь разума и заканчивается альтернативной механикой, этот огонь рассеивающей.
Данная статья - краткий обзор арки философии в сюжете курса физики.
Что главный враг науки?
ВНИМАНИЕ, Вопрос! Какая концепция отрицает наибольшее число постулатов официальной науки? Что противоречит научности на самом глубоком уровне?
А: Лженауки
Общество плоской Земли отрицает один астрономический факт, но не отрицает, например, гравитацию или геометрию.
Гомеопатия состоит из двух идей: "Подобное лечится подобным", что отрицает медицину и "Чем сильнее развести, тем сильнее эффект", что отрицает химию.
Астрология отрицает закон обратных квадратов, что вычеркивает всю физику связанную с излучением, космологию, ну и, конечно, астрономию.
В: Религии
Религии отрицают научный принцип: доверяют ровно одной недостоверной книге и не доверяют всем остальным книгам, независимо от их достоверности. Но религии не отрицают существование объективного мира, только ограничивают его самостоятельное познание человеком. А волшебные существа, по версии религий, и познать мир могут и поделиться этим с нами.
Правда, с точки зрения философии науки, вариант А от В отличить невозможно и в тир-листе из 43 лженаук Александр Панчин включил и религию тоже. И религии и лженауки - это магическое мышление, а различать сорта магии наука не может. Для этого пришлось бы сделать достоверный вывод о том, что достоверности лишено по своей сути.
С: Философия
Эммануил Кант отрицает разум и разумность. Мир познать нельзя, потому что любой разум спасует перед логическими противоречиями - антиномиями. Для современного понимания мира эти противоречия очень слабы: и на тезу и на антитезу есть ответы в научной литературе. Но сюжет философии не основан на резаных событиях, то есть никак не связан с миром по средствам измерений. Так что, философ, как художник, ничего никому не должен и видит, то что подсказывает ему личный опыт.
Кстати, вторую антиномию Канта мы сегодня опровергнем - ответим и на тезу и на антитезу, что снимет противоречие.
1. Мир конечен — мир бесконечен;
2. Каждая сложная субстанция состоит из простых частей — не существует ничего простого;
3. В мире существует свобода — в мире не существует свободы, но господствует только причинность;
4. Существует первопричина мира — не существует первопричины мира.
Фридрих Ницше отрицает истину. Это новый уровень отрицания, потому что истина - свойство мира, а не человека. Кажется, что отрицать физическую картину мира сильнее чем отрицание самой истины нельзя, но подержите пиво Фейнмана...
6 из 8 лет выступлений по физике я рассказывал что: философия - главный "враг" науки. А потом осознал, на сколько недооценивал...
D: Правильный ответ
Ни одна даже самая горячечная философия не отрицает так глубоко основы мира, как квантовая механика. Этот раздел физики докопался до таких утверждений, отрицать которые ни одной здоровой психике не дано. Но чтобы осознать масштабы шатания Вавилонской башни рационального мышления, придется начать с осознания ее фундамента.
Реализм придумали "крысы"
ВНИМАНИЕ, второй Вопрос! Что противоречит реализму? Например, парадокс Чжуан-цзы предполагает, что мир - сон бабочки. А возможность симуляции Вселенной серьезно обсуждалась на "Дебатах памяти Айзека Азимова" в 2016 году. Но это все еще, частности и мелкие штрихи картины мира. Какой самый крупный?
Реализм в физике - это предположение о том, что свойства вещей сохранялись достаточно долго в прошлом и останутся такими в будущем. Реализм необходим для предсказуемости мира. Причем любого: реального, цифрового, выдуманного, мира настольной игры. А ожидание предсказуемых последствий родилось за долго до появления человека как вида.
Трудно понять, какие именно существа первыми сбросили предмет с высоты и подумали "о, я так и знал!", котики вот до сих пор экспериментируют и удивляются. Но мне кажется, юмор - достаточное условие реалистичного мышления. Чтобы пошутить нужно обмануть чужие ожидания, а значит эти ожидания есть у юмориста и он предполагает их от окружающих.
Собаки и кошки постоянно друг над другом прикалываются, а приматы любят фокусы. Даже белка может изобразить что ее прибило шваброй. Думаю, ей весело.
Но более простые существа на такое не способны. Кажется, ощущение предсказуемости мира родилось где-то на заре первых плацентарных и похожи они были на крыс.
Детерминизм
Сила предсказаний
Все знают что будет, если пнуть мизинцем тумбочку, поспорить с девушкой (уже бывшей) или съесть желтый снег (не спрашивайте, откуда я знаю). Во всех архаичных культурах были люди, от которых требовалось предсказание на которые способны не все: как пройдет следующая битва или будет ли год урожайным? Но всех Ванг вместе взятых уделал Эдмунд Галлей: в 1716 году он предсказал появление кометы в конце 1758 года и оказался прав.
А как на счет предсказаний на тысячелетия вперед? Мы могли бы узнать положения планет и спутников Солнечной системы в далеком будущем? Для этого нужен универсальный подход к вычислению орбитальных чисел.
В 1686 году Галлей узнал, что этот подход уже найден Исааком Ньютоном, которому Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе отказало в публикации трудов. Причиной отказа оказалась публикация Трактата об истории рыб, исчерпавшая бюджет Королевского общества.
Галлей убедил Ньютона продолжить работу и издал «Математические начала натуральной философии» в 1687 году за свой счет. Галлей продал фамильную недвижимость и до конца жизни сидел на стопках книг, которые продавались не лучше чем история рыб.
Мне кажется, это многое говорит о людях: смена научной парадигмы века произведена энтузиастами из чистого альтруизма. Существует ценность не связанная с успехом. Можно обрести величие, никого не побеждая, не заработав денег и ни в чем себе не изменив
Дифференциальное исчисление
Однако, Ньютон даже получив возможность свободно издаваться скрыл настоящее открытие века. Решая задачу о предсказании в физике он открыл метод, ломающий баланс Вселенной - то что позволяет предсказывать вообще все, без ограничений. Стоит оговориться, что в 1675 году Готфрид Лейбниц формально открыл тот же самый прием - дифференциальное исчисление. Но сделал он это для нужд математики, а это не такой большой "переворот стола".
Пока физики больше доверяли своим глазам, ускорение было числом оборотов кареты, а в другом случае - маршрутом по карте ко времени по часам. Каждый случай - уникальная история. Но если ускорение - это всегда вторая производная координаты по времени, - все становится предопределено. Решив уравнение и проведя столько измерений, какой максимальный порядок производной в нем - можно восстановить и саму траекторию движения и скорость в любой ее точке - в любой момент времени прошлого и будущего. Это потребовало доверия к новому уровню абстрактного мышления.
Иронично, что с 17 века благодаря Ньютону, физика неразрывно связана с математикой. А с 19 века благодаря Уильяму Гамильтону, математика окончательно разрывает все связи с физикой: число становится абстракцией, существующей в своем собственном мире, теперь никакие эксперименты на алгебру повлиять не могут. Такие вот единство и борьба естественных и формальных групп наук.
Уравнение движения тела
Говорят, Галилео Галилей сбрасывал шары с Пизанской башни, чтобы выяснить, что все падающие тела имеют одно и то же ускорение. Правда, может не сбрасывал, а катал. Может и известная башня не причем, это больше похоже на легенду. Но зная значение ускорения свободного падания благодаря Галилею и доверяя дифференциальному исчислению, мы получим уравнение движения, например пули при выстреле. Точное предсказание попадания любых снарядов может быть полезным. И у нас получилось уравнение, решаемое в общем виде. Это значит любое тело всегда летит по параболе, нужно только знать начальную скорость и координату и мы поймем где оно окажется.
Последствия детерминизма
Одно допущение того что математика стоит за любым из процессов в физике лишает мир свободы воли - ваше будущее так же вычислимо как будущее Луны и планет. То есть на самом деле, ими управляют законы физики (а ими законы математики), а сознание просто иллюзия.
Кроме того, детерминированная картина мира полна. Когда мы для всего получим формулу и измерим достаточно гранчных условий - в мире ни для чего лишнего не останется места. Куда поместить рай и ад? Когда происходит божественное вмешательство, если мы вычислили все прошлое и будущее и ничего такого не нашли?
Многим такой подход не понравился и не нравится до сих пор. Это мошенники, философы и священники. Первые и вторые работают над опровержением, что мы покажем ниже. А третьи решили законсервировать свою риторику на доньютоновском уровне.
Единство и борьба философии с наукой
С философией получилось парадоксально: все то, что сейчас ученые считают «научным методом» позаимствовано из какой-то философии, но заявления ни одного из философов (пожалуй, кроме Карла Поппера) не восприняты учеными всерьез целиком. В каждой отдельно взятой философии науки есть и образцово-научная мысль и что-то явно лишнее. Ситуация борьбы философии с детерминизмом запутанная на столько, что пришлось выделить под нее отдельную статью. Если вкратце, то объективная истина скорее существует, чем нет и заключена в вещах, но нам недоступна непосредственно. Мы ограничены в восприятии истины обществом, языком, господствующей научной парадигмой и технологиями своего времени.
Уравнение детерминированного хаоса
Мы смогли решить задачу со стрельбой в общем виде, потому что на самом деле упростили ее. Легко измерить начальную скорость пули, а как на счет движений самого стрелка? Человека непонятно как измерять и он явно влияет на результат. Предположим, что стрелок - мастер своего дела и нет никаких других воздействий. Тогда вероятность попадания пули в предсказанную точку будет распределена «треугольником» с вершиной в точке, куда стрелок целился.
Добавим на стрельбище еще одни независимый фактор - движение воздуха и получим «трапециевидное распределение вероятности». Трапеция - это сумма влияний двух треугольников. На мишени оно выглядит как круг, внутри которого вероятность попадания одинаковая, а за пределами круга вероятность равномерно спадает. Эта задача уже практически соответствует реальности: хорошие стрелки всегда попадают в круг, размер которого определяет уровень владения оружием.
Добавим бесчисленное множество факторов: неравномерность воздуха и его вязкость, неравномерность пули и ее вращение, разное количество пороха в каждом патроне и неравномерность его сгорания, и т. д. Чтобы эти факторы имели решающее влияние, неподвижно закрепим пистолет на стенде.
Множество независимых факторов сложатся в «нормальное распределение вероятности». Наибольшая вероятность попадания все еще в том месте, куда целится стрелок, но реальную точку, куда попадет пуля точно предсказать невозможно, используя реальное количество и точность измерений.
Получается, любая задача описанная одним широким мазком - строго детерминирована, а если добавить все детали, присутствующие в реальности, любая задача будет описана уравнением детерминированного хаоса.
Последствия детерминированного хаоса
Затруднения в практическом предсказании, отменяет демона Лапласа? Если демон - не смертный математик, наверняка он сможет провести недоступные человеку измерения и вычисления, сохранив возможность узнать что угодно. А вот людям приходится использовать приближенные численные методы расчетов, а для измерений указывать стандартную неопределенность, что в итоге ограничивает горизонт предсказательной силы. Легко вычислить погоду на ближайшие три дня, а прогноз на год - это уже проблема.
Возвращают ли затруднения в предсказании свободу воли? Нет, мир все предсказуем, а судьба его предопределена, просто узнать об этом бесконечно точно человеку вряд ли удастся.
Квантовая революция
Макс Планк много чему дал название. Например, именно он в 1906 году предложил называть теорию Эйнштейна - теорией относительности. А в 1900 году он предложил идею: свет может рождаться, забирая энергию у электрона только порциями - квантами. Размер кванта ограничен и если у электрона не хватает на минимальную порцию, он не теряет энергию. Так была решена проблема стабильности атомов: электроны никогда не упадут на ядра своих атомов, потому что у них не хватает денег энергии чтобы потратить все в ноль. Альберт Эйнштейн закрепил эту идею в 1905 году, оставив свету только квантовый механизм эмиссии и поглощения.
Такой метод размышлений уже был применен раньше. Например, электрон - минимальный носитель электрического заряда (на считая кварков), его идею вынашивали физики с 1830-х годов, а открытие состоялось в 1897-м. Но идея кванта - это не то же самое! Она породила множество парадоксальных выводов.
Корпусклярно-волновой дуализм
Поведение света похоже на частицу только в момент рождения или смерти. Все остальное время свет ведет себя как круги на поверхности воды: он огибает препятствия и сталкиваясь с другими волнами создает узор пиков и впадин. Из-за этого физики пытались найти светоносную среду - эфир, чтобы ответить на вопрос - что там плещется, на поверхности чего мы наблюдаем узор?
Но, дело обрело совсем другой оборот, когда ровно те же свойства были обнаружены сначала у потока электронов, а потом и у одиночного электрона. Там где у потока света были пики яркости, у электрона возрастала вероятность обнаружения. Электрон никто не видел как рябь на поверхности… чего? Пришлось признать двойственную природу всего что имеет масштаб в районе нанометров и меньше.
Масштаб на котором начинаются квантовые эффекты часто называют микромиром, однако, это неточность - микрометры все существуют по законам классической физики
Неопределенность Гейзенберга
Если сравнить свет с волной в некой упругой среде, то становится логичным следующая картина: чем энергичнее поток перед щелью и чем меньше щель, тем больше будет размах пятна яркости на экране за щелью. Как мы знаем с подачи Макса Планка, частота волны связана с энергией через постоянную Планка. Размер щели связан с точность определения положения, чем он меньше, тем лучше понятно где именно был свет в нашем эксперименте.
Но для электрона очевидно, что размах пятна на экране - это вероятность обнаружения частицы. А значит, с уменьшением щели, а значит и неопределенности положения - вырастит размах неопределенности на экране, если только не увеличить неопределенность частоты, а значит энергии и импульса. Такое соотношение неизбежно приводит к тому, что неопределенность произведения координаты на импульс никогда не станет меньше некоторой константы - приведенной постоянной Планка.
Чистая случайность
Волновое поведение частиц задает логичный вопрос: а что там колеблется? Волна чего обходит препятствие и взаимодействует с собой на экране? Ответ, который физики получили экспериментально требует философского осмысления. Опыты подсказывают, что поведение частиц не определяется законами физики в чистом виде, кажется детерминированы только вероятности… Что это значит?
Бильярд
Некоторые физики объясняли неопределенность Гейзенберга как игру в бильярд. Мы исследуем цветные шары при помощи столконовения с белыми шарами. Чем быстрее летит белый шар, тем сильнее он вытолкнет цветной шар со своего места, внеся изменения при измерении. Были бы у нас очень маленькие и легкие шары, может быть такой проблемы и не было бы. Кажется, сейчас такой подход считается устаревшим.
Нарды с шулером
Эйнштейн считал, что квантовая механика - это азартная игра с особенностями: для обычного игрока случайность выглядит честной, словно никто не может предугадать как кости лягут, можно оценить только шансы, но на самом деле, ваш оппонент - шулер, он знает исход игры заранее. Для точных предсказаний шулера добавляют в игру незаметные мелочи - крапленые карты, специальные кубики, системы незаметного наблюдения и сообщников. Эйнштейн называл эти детали - скрытыми параметрами.
В 1927 году на пятом Сольвеевском конгрессе состоялся знаменитый спор Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Если в квантовой механике действительно есть скрытые параметры, то эта наука не полна, нужно найти причины поведения частиц и избавиться от чистой случайности. Концептуально, спор не закончен до сих пор, но практически - Эйнштейн проиграл. В 2022 году была присуждена Нобелевская премия за доказательство нарушения неравенств Белла, что говорит о полноте квантовой механике и отступили скрытых параметров.
Покер
Алексей Семихатов и многие другие физики предлагают относиться к квантовой механике как к честному покеру. Вам сдают карты и единственное, что вы можете посчитать - шанс выигрыша, то есть обнаружения частицы методом измерений в том или ином месте. Ни крупье, никто либо еще не знает какие карты у кого. Квантование положения - это существование электрона в одном месте, потом пробел и вот он уже в другом месте. Модель покера говорит, что в тех местах где вероятность нахождения частицы нулевая - это просто невозможная комбинация. Нет в колоде пяти тузов, вот обнаружить электрон в промежутках между квантами положения - невозможно.
Ничего знакомого
Квантовая механика - это описание поведения мельчайших долек вещества, в частности всего происходящего в атомных масштабах. Поведение тела очень малого размера не похоже ни на что, с чем вы повседневно сталкиваетесь. Эти тела не ведут себя ни как волны, ни как частицы, ни как облака, или бильярдные шары, или грузы, подвешенные на пружинах, – словом, они не похожи ни на что из того, что вам хоть когда-нибудь приходилось видеть.
Фейнмановские лекции по физике. Том 3-4, страница 202
Ричард Фейнман, как и многие другие физики считает, что квантовая механика - непредставима, парадоксальна и контринтуитивна, нарушает локальность и реализм Вселенной.
Эффект наблюдателя
В нашем доквантовом мире, ученые и инженеры договорились считать измерением то, что не вносит изменений в объект изучения. Однако, для квантовой механики придется сделать исключение. Дело в том, что физики не смирились с фактом того, что яркие пятна высокой вероятности обнаружения электрона выстроены так, словно одна и та же частица прошла всеми возможными путями и интерферировала сама с собой. Ученым хотелось знать, происходит ли такое в реальности или это игра с информацией. Может быть, электрон знает все варианты своего будущего и движется только по одной траектории но с учетом всех возможных? Попытка уличить электрон в технике теневого клонирования в теории выглядела просто: нужно всего лишь подсмотреть, в какую, например, из двух щелей прошла частица. Но на практике оказалось, что это знание отменяет любые странности в поведении электронов и любых других квантовых объектов. Если мы точно ухнем по какому пути шел электрон, то он больше не интерфзерирует сам с собой, а вероятность его обнаружить становится классической - максимум напротив каждой щели.
ЭПР-парадокс
Локальность
Кстати, о локальности. Из реализма напрямую не вытекает необходимость иметь конечную скорость любых физических взаимодействий. Но если поразмышлять о времени в смысле причинности, то такое требование появится. Событие А может стать причиной события Б, только если передача воздействия прошла с конечной скоростью. Желательно, чтобы эту скорость можно было наблюдать и убедиться в задержке. Нам повезло с тем, что скорость света заметна на масштабах солнечной системы. Первую ее оценку произвел Олаф Рёмер в 1676 году, наблюдая транзит спутника Ио через Юпитер. В одно время года Ио появлялся из-за края Юпитера на 20 минут позже, чем в другое время. Рёмер предположил, что это Земля находится то ближе, то дальше от Юпитера, а для света это расстояние существенно. Его оценка скорости света оказалась верна на 74 %, что очень круто для 17-ого века.
Нарушение локальности
В 1935 году Альберт Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». В ней физики прибегли к знаменитому мысленному эксперименту по обходу ограничений неопределенности Гейзенберга. Мы помним, что невозможно измерить положение и импульс частицы точнее фундаментального предела. А что если, одна частица, у которой мы знаем импульс врезается, например, в ядро атома и выбивает из него другую частицу, у которой мы измерим положение. В итоге, силой чистой математики получим и импульс и положение ядра атома, используя законы сохранения. Разве только частица, у которой мы измерили импульс не передаст в будущее другой частице информацию о наших измерениях и у той автоматически увеличится неопределенность координаты. Но это же абсурд! Абсурд ведь?
Квантовая телепортация
Парадокс передачи информации между частицами, связанными только лишь общим знанием - импульса и координаты для сохранения неопределенности Гейзенберга должен был убедить физиков, что так не бывает. Однако, физики, увидели в этом возможность. Если все таки бывает, то можно передавать информацию быстрее скорости света. Ведь наше знание о неопределенности импульса - это не частица и вообще не часть физики. Это чистая математика, а ее не ограничивает… ничего. Недавно физики из Северозападного университета Чикаго передали сигнал по обычному оптоволоконному интернет кабелю втрое быстрее скорости света. А физики из Оксфорда заставили «призрачное дальнодействие» связать кубиты двух квантовых компьютеров. Но и это не предел. Можно послать сигнал в прошлое.
Квантовый ластик с отложенным выбором
Читатели, хорошо понимающие теорию относительности не удивятся возможности отправки квантовой информации в прошлое: для обгона скорости света поможет только машина времени и тут не важно, в какую строну и на сколько мы путешествуем. Впрочем, одно дело понимать, а другое дело экспериментально «пообщаться» с прошлым. Первый такой опыт был проведен в 1999 году. В нем физики использовали эффект наблюдателя и квантовую телепортацию одновременно. Два запутанных фотона разделяли: один попадал на экран, а второй шел по длинной цепочке зеркал. Напоминаем читателю, что запутанные частицы связаны лишь информацией - знанием об одной из двух враждующих физических величин. Второй фотон, пройдя длинный путь, потратив много времени тоже попадал на экран. Перед двумя экранами находились щели и механизм, позволяющий узнать, через какую именно щель прошел фотон. Последним элементом являлось полупрозрачное зеркало, которое теряло информацию о выбранной фотоном щели и стояло в конце длинного пути второго фотона. Это зеркало можно было включить и выключить. В итоге, от положения дезинформирующего зеркала зависала интерференционная картина для двух экранов обоих фотонов, что логично. А вот, что нелогично, картина первого фотона всегда «знала», какое положение зеркала будет в будущем, когда второй фотон до него дойдет. Ведь, путь второго фотона специально сделан длинным и долгим. Получается, в квантовом мире информация оказывает физический эффект - одновременно в прошлом, настоящем и будущем.
Вражда информации имеет физический эффект
В квантовом мире враждует знание о положении и импульсе частиц. В нашем мире тоже есть подобная вражда, например многим людям тяжело одинаково хорошо овладеть и формальными и гуманитарными предметами. Однако, мы не ожидаем что, завалив контрольную по математике - автоматически выучим пять новых языков, или написав слово «ихнийи» странно было бы обнаружить умножение денег на дебетовых счетах. А в квантовом мире так и происходит - незнание одной величины открывает возможности физически использовать другую в широком диапазоне.
Например, в ядре Солнца должны ежесекундно происходить реакции синтеза из двух протонов в ядро гелия за три этапа. Но два протона отталкивают друг друга - между ними кулоновский барьер. Чтобы реакция пошла между одной парой протонов на Земле в лабораторных условиях нужно порядка 700 миллионов градусов, а в ядре Солнца только 15 миллионов. Солнце не должно гореть вообще, по классическим правилам физики. Но оно светит и греет. Секрет в том, что протоны хорошо понимают где находятся - в ядре Солнца, это довольно конкретное место. Значит они теряют понимание своего импульса. Неизвестный импульс - это любой в широких пределах. И у некоторых частиц его хватает на преодоление кулоновского барьера. Каждую секунду в ядре Солнца сталкиваются 10 в 28 степени протонов и реакция термоядерного синтеза происходит только в одном случае. Получается, вероятность прохождения через непреодолимый барьер - небольшая. Но, если бы она была выше, звезды прогорели бы очень быстро, планеты вокруг них не успели бы остыть и сформировать комфортные стабильные условия деля жизни. Если бы эта вероятность была ниже, звезды были бы тусклыми и комфортные условия не появились бы вообще. Чудо в пропорции 1 из 10 в степени 28 - это ровно то то нужно для нашего существования.
Квантовое туннелирование
Мы очень далеки от того чтобы проходить сквозь стены. Еще до того как ядра атомов наших тел и стен могли бы встретиться, электроны на внешних орбиталях атомов в нас отталкивают аналогичные электроны в стенах. Это тот же самый кулоновский барьер, что у протонов в ядре Солнца. Но в квантовом мире все - вероятность. Пройти сквозь непреодолимый потенциальный барьер - тоже. Поэтому, частицы частенько бывают замечены за «прохождением сквозь стены». Например, сканирующий туннельный микроскоп водит иглой над материалом на расстоянии 0,1 нм, а с кончика иглы электроны туннелируют сквозь материал, потому что это расстояние уже в квантовом масштабе. В тех местах, где электронов прошло меньше, материал менее плотный, так и получаются "фотографии атомов".
Помимо науки, квантове туннелирование - преграда для эволюции процессоров. В конце 2024 года компания Intel объявила о планах создания чипов по техпроцессу 1 нм к 2027 году. Проблемой является то, что где-то с масштабов манометров начинается квантовый мир, а в нем электроны могут проходить сквозь стены, а значит запорные функции транзисторов будут работать вероятностно: иногда затвор сдерживает электроны, а иногда нет. Это то чего мы не хотим от вычислительной техники, лучше бы она работала предсказуемо. Удастся ли как-то побороть проблему или классические процессоры должны уступить дорогу квантовым мы узнаем уже в ближайшие пару лет.
Нарушение законов физики
Если вы нарушите юридические законы, то попадете в тюрьму, если законы физики, то получите Нобелевскую премию. Но в квантовом мире частицы умеют, объединяясь в группы нарушать законы физики перманентно. Например, так, предположительно работает сверхпроводимость: к электрону немного приближаются положительно заряженные атомы кристаллической решетки металлов, приманивая другой электрон - так образуется куперовская пара. Такая пара электронов игнорирует электрическое сопротивление.
Аналогичным образом физики объясняют сверхтекучесть - состояние некоторых веществ, в котором игнорируется гравитация, трение и непроницаемость некоторых твердых материалов.
Квантовые эффекты могут превращать проводники в изоляторы или создать "вечный двигатель". Кажется, нет такого крупномасштабного правила, которое в квантовом мире нельзя было бы нарушить.
Физика из других вселенных
Интерпретации в физике - это теории, дающие одинаковые предсказания, исходя из разных принципов. Получается, что экспериментально их невозможно различать. Тогда физики берут самую адекватную. Например, теория относительности Лоренца подразумевала существование светоносной среды - эфира, а такая же теория Эйнштейна - нет. Теорию Эйнштейна взяли, потому что "если не видно разницы, зачем вводить больше понятий?".
Однако, интерпретации квантовой механики странные абсолютно все. К каждой можно задать много неудобных вопросов.
Многомировая интерпретация
Помните эффект наблюдателя? Пока нет информации о том как именно ведет себя частица, она ведет себя всеми возможными способами, не имеет конкретного прошлого и будущего. В начале большого взрыва наша вселенная была в масштабах частиц. Существует ли у нее смотритель, например бог? Если да, то мы живем в одной конкретной вселенной. А если нет, то вселенная должна быть в суперпозиции - сочетании всех вариантов истории прошлого и будущего. Что если можно идти не только вперед во времени по истории, которая кажется нашим прошлом, но еще и вбок взаимодействия с историей других вариантов вселенной? Электроны так могут, почему мы нет?
Многомировая интерпретация Дэвида Дойча в слабом смысле
Физик из Оксфорда Дэвид Дойч предлагает воспринимать знание электрона (за которым никто не наблюдает) всех вариантов своего будущего и взаимодействие между этими вариантами как свидетельство столкновения электронов из разных вселенных. При этом иновсленских частиц в нашем мире должно быть существенно больше чем своих родных. Правда, сталкивается со своими двойниками только электрон над которым проводится опыт, а вот электроны в составе приборов, экрана и ширмы с щелями так не делают. Почему так - неудобный вопрос к Дэвиду.
Многомировая интерпретация Дэвида Дойча в сильном смысле
А что если, перемещаться вперед во времени вообще нельзя, а можно только переходить между параллельными вселенными? Мы в каждой из этих вселенных будем думать, что это наше настоящее и у нас была конкретная история, но это ошибка восприятия. На самом деле, все варианты вселенных и все моменты времени были созданы большим взрывом. Получается, нет причинности - событие А не влияет на событие Б. Нет единой логичной истории. Никак нельзя понять, из какой вселеной мы пришили в какую, потому что все они связаны и существуют одновременно. Такой метод отрицания детерминизма превосходит любое философское отрицание.
Чистейшая случайность
Думаю, до этого раздела, вы недооценивали силу чистой случайности в квантовой механике. Мы не только непониманием как будет двигаться один конкретный электрон, летящий на экран сквозь ширму со щелями. Мы не знаем, какая пара из 10 в 28 степени протонов будут участвовать в термоядерном синтезе, а какие не будут. Некоторые два протона создадут ядро гелия, позитрон и нейтрино, а нескорые поглотят электрон, создав ядро гелия и нейтрино. Эти пары протонов вообще никак не отличаются, они не ведут себя подозрительно и ничего особенного не содержат. Поведение чего угодно в квантовом мире предсказуемо только на уровне вероятности.
Сила случайности, например, опровергает известную байку о том, что свет из ядра Солнца добирается до нас то ли за 100, то ли за 200 тысяч лет. Фотон непредсказуем. Один будет вечно ходить по кругу в ядре и никуда не выйдет, а другой тунелирует сквозь все препятствия, не провзаимодействует ни с одной дугой частицей внутри Солнца и дойдет до земли со скоростью света. Различить эти фотоны невозможно, история каждой конкретной частицы - загадка.
Та же ситуация с квантовой моделью атома. То с чего начинается квантовая механика - электроны сидят на конкретных энергетических уровнях. А если известна энергия, то есть импульс, то неизвестно положение. Неопределенность координаты для электрона сравнима с размерами самих атомов. То есть электрон в атоме - непонятно где, непонятно что делает, его невозможно нарисовать, а все картинки из химии принципиально ошибочны.
Последствия чистой случайности
С пониманием масштабов отрицания классических заявлений о мире силами только базовых правил квантовой механики, попробуем ответить на философские вопросы, с которых начинали разговор.
Нарушение локального реализма
Многие физики предлагают буквально понимать чистую случайность и суперпозицию. Тогда, получается, что объекты на масштабах менее одного манометра не сохраняют свои свойства достаточно долго в прошлом и будущем. Это значит, что даже зная его пси-функцию и измерив одно состояние в один момент времени, мы не можем предсказать ни прошлое, ни будущее. Это приводит к индетерминизму. А бонусом, на таких масштабах и время в смысле причинности как-то ломается.
Отмена демона Лапласа
Получается, никто, даже магическое существо не может предсказывать события бесконечно точно. Есть некий горизонт планирования, заглянуть за который не позволит неопределенность Гейзенберга. Демон ничем не лучше человека, потому что в квантовом мире нужных данных просто нет.
Возвращается ли свобода воли?
Предсказать поведение человека абсолютно точно нельзя. Если создать полную копию человека, то она будет вести себя немного иначе из-за вероятностной структуры электронов внутри нейронов. Означает ли это возвращение свободы воли? Некоторым физиологам кажется, что скорее нет, чем да. Мозг формирует личность. Сначала работает электрохимия нейронов, а потом это превращается в черту личности. Человек, все равно, раб физики, но достаточно чудной и не полностью предсказуемый.
Появилось ли место для бога?
Да, но бог квантовой механики не будет похож на человека. Это, скорее неописуемый хтонический ужас. Бог может управлять конкретным поведением частиц, но от этого ничего в макромире не зависит, так как статистика частиц детерминирована. Из него плохой архитектор судеб. С другой стороны, квантовый бог - непостижим, недосягаем, непредсказуем, парадоксален, неописуем и непредставим. Это что-то похожее на описание божественности. Кроме того, квантовый бог вполне может быть сотворителем вселенной и ее наблюдателем в некотором очень загадочном смысле.
Появилось ли пространство для магических мест?
Планковская длинна - непроглядный горизонт для физики. Есть длинна волны, соответствующая такой большой энергии фотона, что он должен превратиться в планковскую черную дыру, после чего его судьба туманна. Внутри масштабов планковских длин "обитают драконы". Там может быть что угодно - и рай и ад и призрачная станция вокзала Кингс-Кросс. Если с пониманием масштабов от одного манометра и менее у нас серьезные проблемы, то на масштабах еще в 6,19 на 10 в 25 степени раз меньше, понимание заканчивается с гарантией. Наверное, мы туда не попадем. А места для волшебных сильных и независимых от физики существ там достаточно.
Главный парадокс квантовой механики
Прочитав стать, объем которой, к сожалению, вышел из-под контроля, вы смогли убедиться, что квантовая механика отрицает гораздо больше и гораздо глубже любую интуитивно-понятную критику мира, чем любая постмодернистская философия. Но вместе с этим, в основе любых классических механизмов лежат квантовые. Частицы, нарушающие локальный реализм вселенной, собираясь в мячик создают реализм и локальность.
Математик Теодор Моцкин, говоря о теореме Рамсея, заметил: "В то время как беспорядок более вероятен, полный беспорядок невозможен". Это описание хорошо подходит и для любого свойства физики. Например, "в то время как предсйказуемость вероятна, уйти от чистой случайности невозможно". Случайное - основа для закономерного. Неописуемое формирует формальное. Фундаментальные кирпичики материи, пространства и времени - не имеют конкретного места, не скованы временем и неосязаемы. Таково единство и борьба классической физики с квантовой.
Что посмотреть для понимания квантовых чудес?
Автор статьи - Георгий Тимс, - задолбался ее писать для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал