Как работает квантовое самоубийство
Представите себе револьвер в руке мужчины, который решил сыграть в Русскую рулетку, только выстрелит револьвер или нет зависит не от того совпадает ли патрон в барабане с дулом пистолета, а от состояния квантовой частицы. Каждый раз, когда нажимается спусковой крючок, измеряется спин квантовой частицы. В зависимости от измерения пистолет либо выстрелит, либо нет. Если квантовая частица вращается по часовой стрелке, пистолет выстрелит. Если кварк вращается против часовой стрелки, пистолет не выстрелит. Будет только щелчок.
Нервно мужчина вздыхает и нажимает на спусковой крючок. Пистолет щелкает. Он снова нажимает на курок. Мужчина будет продолжать нажимать на курок снова и снова с тем же результатом: пистолет не выстрелит. Хотя револьвер работает нормально и заряжен. Сколько бы раз мужчина ни нажимал на спусковой крючок, пистолет никогда не выстрелит.
Вернитесь во времени к началу эксперимента. Мужчина впервые нажимает на спусковой крючок, и теперь считается, что кварк вращается по часовой стрелке. Пистолет стреляет. Мужчина мертв.
Мужчина уже нажал на курок в первый раз и бесконечное количество раз после этого — и мы уже знаем, что пистолет не выстрелил. Как человек может быть мертв? Мужчина не знает, но он одновременно жив и мертв. Каждый раз, когда он нажимает на курок, вселенная разделяется на две части. Она будет продолжать расщепляться снова и снова при каждом нажатии на спусковой крючок.
Этот мысленный эксперимент называется квантовым самоубийством. Впервые он был сформулирован теоретиком Максом Тегмарком в 1997 году. Мысленный эксперимент — это эксперимент, который происходит только в уме. Квантовый уровень — это наименьший уровень материи, который мы пока обнаружили во вселенной. Материя на этом уровне бесконечно мала, и ученым практически невозможно исследовать ее, используя традиционные методы научного исследования.
Квантовая физика
Вместо того, чтобы использовать научный метод — исследование эмпирических данных — для изучения квантового уровня, физики должны использовать мысленные эксперименты. Хотя эти эксперименты проводятся лишь гипотетически, они основаны на данных, наблюдаемых в квантовой физике.
То, что наука наблюдала на квантовом уровне, вызвало больше вопросов, чем дало ответов. Поведение квантовых частиц хаотично, и наше понимание вероятности становится сомнительным. Например, было доказано, что фотоны — наименьшая мера света — существуют как в корпускулярном, так и в волновом состояниях. Считается, что частицы движутся в обоих направлениях одновременно, а не только в одном направлении в разное время. Поэтому, когда мы исследуем квантовый мир, мы являемся аутсайдерами знаний, которые он содержит. В результате наше понимание вселенной, какой мы ее знаем, оказывается под вопросом.
Это заставило некоторых поверить в то, что наше понимание квантовой физики столь же фундаментально, как и понимание древних астрономов много веков назад, которые утверждали, что Солнце было богом. Некоторые учёные полагают, что дальнейшее исследование квантовых систем позволит выявить порядок и предсказуемость внутри того, что мы сейчас называем хаосом. Но возможно ли, что квантовые системы невозможно понять в рамках традиционных моделей науки?
Принцип неопределенности Гейзенберга
Одна из самых больших проблем квантовых экспериментов — это, неизбежная склонность людей влиять на положение и скорость малых частиц. Это происходит потому, что мы просто наблюдаем за частицами, и это расстраивает квантовых физиков. Чтобы бороться с этим, физики создали огромные, сложные машины, такие как ускорители частиц, которые устраняют любое физическое влияние человека на процесс ускорения энергии движения частицы.
Тем не менее, неоднозначные результаты, которые квантовые физики получают при исследовании одной и той же частицы, указывают на то, что мы просто не можем не влиять на поведение квантов или квантовых частиц. Даже свет, который физики используют, чтобы лучше видеть объекты, которые они наблюдают, может влиять на поведение квантов. Фотоны — мельчайшая мера света, не имеющая массы или электрического заряда — всё равно могут изменять его скорость.
Это называется принципом неопределенности Гейзенберга. Вернер Гейзенберг, немецкий физик, определил, что наши наблюдения влияют на поведение квантов. Принцип неопределенности Гейзенберга кажется трудным для понимания — даже его название пугает. Но на самом деле его легко понять, и как только вы это сделаете, вы поймете фундаментальный принцип квантовой механики.
Представьте, что вы слепы и со временем разработали технику определения расстояния до объекта, бросая в него мяч. Проблема в том, что, когда вы бросаете мяч в какой-то подвижный объект, мяч отбрасывает его. Вы можете сказать, где был этот предмет, но не где она сейчас. Более того, вы можете вычислить его скорость после удара по нему мячом, но вы не имеете ни малейшего представления о том, какова была его скорость до удара.
Это и есть та проблема, которую раскрывает принцип неопределенности Гейзенберга. Чтобы узнать скорость кварка, мы должны ее измерить, а, чтобы измерить ее, мы вынуждены воздействовать на нее. То же самое касается наблюдения за положением объекта. Неопределенность положения и скорости объекта мешает физику понять многое.
Конечно, физики не бросают мячи в кванты, чтобы измерить их, но даже малейшее вмешательство может заставить невероятно маленькие частицы вести себя по-другому.
Вот почему квантовые физики вынуждены создавать мысленные эксперименты, основанные на наблюдениях реальных экспериментов, проводимых на квантовом уровне. Эти мысленные эксперименты призваны доказать или опровергнуть интерпретации – объяснения всей квантовой теории.
Теория многих миров
Мысленный эксперимент «квантовое самоубийство» основан на теории множественности миров и стремится доказать ее, ставшую общепринятой интерпретацией квантовой физики. Эта теория была впервые предложена в 1957 году Хью Эвереттом III. Эту теорию презирали на протяжении десятилетий, пока его коллега Макс Тегмарк не провел эксперимент, который подтверждает эту интерпретацию.
Согласно теории многих миров, для каждого возможного результата действия мир распадается на копию самого себя. Этот мгновенный процесс Эверетт назвал декогезией. Одним из жизненно важных аспектов теории многих миров является то, что, когда вселенная разделяется, человек не осознает себя в другой версии вселенной. Это означает что человек, выполняя какое-либо действие совершенно не подозревает о своей версии, которая не выполняла это действие, и наоборот.
То же самое и с квантовым самоубийством. Когда мужчина нажимает на курок, есть два возможных результата: пистолет либо выстрелит, либо нет. Каждый раз, когда нажимается спусковой крючок, вселенная разделяется, чтобы учесть каждый возможный результат. Когда человек умирает, вселенная больше не может разделиться из-за нажатия на спусковой крючок. Возможный исход смерти сводится к одному: продолжающаяся смерть. Но в жизни остается еще два шанса: человек продолжает жить или человек умирает.
Путеводитель по квантовому миру
Однако, когда человек нажимает на курок, и вселенная разделяется на две части, версия человека, который жил, не будет знать, что в другой версии разделенной вселенной он умер. Вместо этого он продолжит жить и снова получит шанс нажать на курок. И каждый раз, когда он нажимает на курок, вселенная снова разделяется, и версия человека, который живет, продолжает существовать и не знает обо всех своих смертях в параллельных вселенных. В этом смысле он сможет существовать бесконечно. Это называется квантовым бессмертием.
Так почему же не все люди, когда-либо пытавшиеся покончить с собой, бессмертны? Что интересно в интерпретации многих миров, так это то, что, согласно теории, они находятся в какой-то параллельной вселенной. Нам кажется, что это не так, поскольку раскол вселенной не зависит от нашей собственной жизни и смерти. Мы являемся свидетелями или наблюдателями в случае самоубийства другого человека, и как наблюдатели мы подвержены вероятности. Когда во вселенной (или ее версии), в которой мы живем, наконец, выстрелил пистолет, мы застряли с этим результатом. Даже если мы возьмем пистолет и продолжим стрелять в человека, вселенная останется в едином состоянии. Ведь после смерти человека количество возможных исходов расстрела мертвеца сокращается до одного.
Но теория многих миров находится в противоречии с другой квантовой теорией.
Копенгагенская интерпретация
Теория многих миров квантовой механики предполагает, что для каждого возможного результата любого данного действия вселенная разделяется, чтобы вместить каждый из них. Эта теория исключает наблюдателя из уравнения. Мы больше не можем влиять на исход события, просто наблюдая за ним, как гласит принцип неопределенности Гейзенберга. Но теория многих миров ставит на уши широко распространенную теорию квантовой механики.
На протяжении большей части прошлого столетия наиболее общепринятым объяснением того, почему одна и та же квантовая частица может вести себя по-разному, была Копенгагенская интерпретация. Хотя в последнее время многомировая интерпретация набирает обороты, многие квантовые физики по-прежнему полагают, что копенгагенская интерпретация верна. Копенгагенская интерпретация была впервые предложена физиком Нильсом Бором в 1920 году. Она гласит, что квантовая частица существует не в том или ином состоянии, а во всех возможных состояниях одновременно. Только когда мы наблюдаем ее состояние, квантовая частица, по сути, вынуждена выбирать одну вероятность, и это то состояние, которое мы наблюдаем. Поскольку каждый раз ее можно переводить в другое наблюдаемое состояние, это объясняет, почему квантовая частица ведет себя беспорядочно.
Такое состояние существования во всех возможных вариантах одновременно называется когерентной суперпозицией объекта. Совокупность всех возможных состояний, в которых объект может существовать — например, в форме волны или частицы, движущихся в обоих направлениях одновременно, — составляет волновую функцию объекта. Когда мы наблюдаем объект, суперпозиция разрушается, и объект переходит в одно из состояний своей волновой функции.
Копенгагенская интерпретация квантовой механики была теоретически подтверждена ставшим знаменитым мысленным экспериментом с котом и коробкой. Его называют котом Шредингера, и впервые его представил венский физик Эрвин Шрёдингер в 1935 году.
В своем теоретическом эксперименте Шредингер поместил своего кота в коробку вместе с небольшим количеством радиоактивного материала и счетчиком Гейгера — устройством для обнаружения радиации. Счетчик Гейгера был спроектирован таким образом, что при обнаружении распада радиоактивного материала он приводил в действие молоток, который был готов разбить колбу с синильной кислотой, которая при выбросе убивала бы животное.
Чтобы исключить всякую уверенность в судьбе кота, эксперимент должен был состояться в течение часа: достаточно долго, чтобы некоторая часть радиоактивного материала могла распасться.
В эксперименте Шредингера кот был запечатан в ящике. Во время пребывания там кот находился в непознаваемом состоянии. Поскольку его нельзя было наблюдать, нельзя было сказать, жив кот или мертв. Вместо этого он существовал в состоянии жизни и смерти.
Поскольку копенгагенская интерпретация гласит, что при наблюдении объект вынужден принять то или иное состояние, эксперимент по квантовому самоубийству в соответствии с этой теорией не работает.
Последствия квантовой физики
По мере углубления нашего понимания квантовой физики, как это изменит наше восприятие физического мира?
По сравнению с классической наукой и физикой теории Ньютона, предложенные для объяснения квантовой физики, кажутся безумными. Сам Эрвин Шредингер назвал свой эксперимент довольно нелепым. Но, судя по наблюдениям науки, законы, управляющие миром, который мы видим каждый день, не справедливы на квантовом уровне.
Квантовая физика — относительно новая дисциплина, возникшая всего лишь в 1900 году. Все теории, выдвинутые по этому вопросу, — всего лишь теории. Более того, существуют конкурирующие теории, дающие разные объяснения необычным явлениям, происходящим на квантовом уровне. Возможно, теория, которая окажется истинным объяснением квантовой физики, еще не сформулирована. Человек, который это с позиционирует, возможно, еще даже не родился. Но, учитывая логику, установленную в этой области исследований, возможно ли, что все теории, объясняющие квантовую физику, одновременно одинаково верны – даже те, которые противоречат друг другу?
Копенгагенская интерпретация квантовой физики, пожалуй, самая утешительная из выдвинутых теорий. Объясняя, что частицы существуют во всех состояниях одновременно – в когерентной суперпозиции – наше понимание вселенной слегка искажается, но все же остается в некоторой степени понятным. Она утешает еще и тем, что делает нас, людей, причиной того, что объект принимает определенную форму. Хотя учёных разочаровывает способность частицы существовать более чем в одном состоянии.
Гораздо менее утешительной является интерпретация многих миров Эверетта. Эта теория лишает нас всякой власти над квантовой вселенной. Вместо этого мы просто пассажиры расколов, которые происходят при каждом возможном исходе. По сути, согласно теории многих миров, наше представление о причине и следствии никуда не годится.
Это делает интерпретацию многих миров несколько тревожной. Если это правда, то в какой-то вселенной, параллельной той, в которой мы сейчас живем, Адольф Гитлер добился успеха в своей кампании по завоеванию мира. Но в то же время в другой вселенной Соединенные Штаты никогда не сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки.
Теория множественности миров также определенно противоречит идее бритвы Оккама, согласно которой самое простое объяснение обычно является правильным. Еще более странным является вывод теории многих миров о том, что время не существует в виде последовательного линейного движения. Вместо этого оно движется скачками, существуя не как линия, а как ответвления. Этих ветвей столько же, сколько и последствий всех когда-либо предпринятых действий.
Теоретическая область уже значительно продвинулась вперед с момента ее создания более века назад. Хотя у Бора была своя собственная интерпретация квантового мира, он, возможно, принял более позднюю теорию, выдвинутую Хью Эвереттом о Множестве Миров. В конце концов, именно Бор сказал: «Тот, кого не шокирует квантовая теория, не понимает ее».
Подписаться на канал
Интересные статьи:
- Что такое CRISPR
- Как змеи потеряли ноги
- Генетические мутации
- 8 профессий, которым меньше всего угрожает ИИ
- 8 профессий которые заменит ИИ