Математика в квантовой механике — это инструмент, позволяющий вычислять результаты. Она помогает нам манипулировать волновыми функциями и определять собственные состояния и их значения. Но вот парадокс: хотя мы можем точно предсказать результаты экспериментов с помощью математических процедур, мы не имеем ни малейшего представления о том, почему именно эти процедуры приводят к таким результатам.
Это третья часть большой статьи Как философия Мадхьямики объясняет загадку квантовой физики
Первая часть - https://dzen.ru/a/ZuqVLCktjDULb2Em
Вторая часть - https://dzen.ru/a/ZxJy3QUt2UElVc_V
(ссылка будет продублирована в конце статьи)
Представьте себе, что вы — техник, который знает, как нажимать кнопки на сложной машине. Вы получаете нужный результат, но не понимаете, как и почему эта машина работает. Это именно то положение дел в квантовой механике: мы можем вычислять вероятности и предсказывать поведение частиц, но суть этих процессов остается для нас загадкой.
Некоторые физики пытаются убедить нас в том, что они действительно понимают квантовую механику, просто потому что могут выполнять расчеты. Но это все равно что утверждать, что вы знаете, как устроен автомобиль, просто потому что умеете им управлять. На самом деле, если бы ученые действительно понимали, почему математика работает в этой области, не возникало бы множества различных интерпретаций квантовой механики — каждая из которых сталкивается с концептуальными трудностями.
В мире квантовой механики наблюдатель играет ключевую роль, и это становится очевидным, как только мы начинаем разбираться в тонкостях этой удивительной науки. Квантовая волновая функция описывает не просто поведение частиц, а вероятностные результаты измерений, которые делает наблюдатель. Это значит, что физика не может дать нам четкие правила о том, как ведет себя частица сама по себе — она лишь указывает на вероятности результатов измерений, которые мы получаем при взаимодействии с ней.
Загадка наблюдателя
Проблема заключается в том, что после более чем ста лет попыток ученые все еще не смогли освободить квантовую механику от зависимости от наблюдателя. Каждый раз, когда мы пытаемся разобраться в этом вопросе, мы сталкиваемся с одним из самых тревожных аспектов оригинальной формулировки квантовой механики — с тем, что происходит в момент измерения. Это событие получило название "падение волновой функции".
Когда наблюдатель производит измерение, квантовая волновая функция претерпевает резкое и дискретное изменение. Она "коллапсирует" в одно из своих собственных состояний. Все остальные состояния исчезают, оставляя лишь одно — то, которое соответствует результату измерения. Этот процесс можно представить как разрезание торта на день рождения.
Представьте себе, что вы отмечаете день рождения и перед вами стоит огромный торт. Разрезание торта — это как измерение в квантовой механике. Вы не просто отмечаете линии разреза; вы действительно берете нож и делаете выбор, какой кусок вам нужен. В момент, когда вы делаете этот выбор, остальные части торта исчезают — они становятся недоступными.
Если вы решили измерить положение электрона и обнаружили его на отметке "3" на шкале, то волновая функция коллапсирует в состояние, соответствующее этому значению. Все остальные возможные положения электрона исчезают из вашего восприятия.
После коллапса волновой функции происходит процесс нормализации. Это можно представить как увеличение размера выбранного вами куска торта до того момента, когда он снова будет выглядеть как целый торт. Теперь этот новый "торт" (новая волновая функция) отражает новую реальность, основанную на вашем измерении.
Таким образом, каждый раз, когда мы проводим измерение в квантовом мире, мы не просто получаем информацию о состоянии системы — мы фактически создаем новую реальность. Эта идея ставит под сомнение наше понимание объективной действительности и подчеркивает важность роли наблюдателя в формировании мира вокруг нас.
Падение волновой функции — это не просто научная концепция; это философский вызов, который заставляет нас задуматься о том, как мы воспринимаем реальность.
В мире квантовой механики наблюдатель — это не просто сторонний участник, а активный соавтор реальности.
Два наблюдателя - два измерения
Первое, что стоит отметить, — это то, как выбор наблюдателя формирует реальность. Когда исследователь решает, что именно он хочет измерить, он фактически задает направление для эксперимента. Этот выбор определяет оператор, который, в свою очередь, формирует предпочтительную базу для возможных состояний системы. Таким образом, выбор наблюдателя не просто влияет на эксперимент; он определяет набор возможных состояний, в которые может «схлопнуться» квантовая волновая функция.
Но это еще не всё. Второй аспект заключается в самом процессе измерения. Когда наблюдатель делает замер, происходит резкое и неожиданное превращение волновой функции в одно из возможных состояний. Это событие, известное как «коллапс волновой функции», является ключевым моментом в квантовой механике.
Коллапс волновой функции — это не просто научный термин; это момент, когда неопределенность уступает место определенности. Если измерение не производится, волновая функция эволюционирует в соответствии с уравнением Шрёдингера — плавно и предсказуемо, как волна на поверхности воды. Это уравнение, созданное Эрвином Шрёдингером, описывает, как система меняется со временем в зависимости от таких параметров, как энергия и импульс.
Представьте себе торт: пока мы не решаем его нарезать (то есть не проводим измерение), он изменяется предсказуемо и плавно — словно желе, колеблющееся под легким дуновением ветра. Но стоит только сделать первый срез, как происходит магия: торт разрезается, и остаётся лишь один кусок — выбранное состояние. Остальные «крошки» исчезают, а оставшийся кусок начинает увеличиваться до размера оригинала — это процесс нормализации.
Этот процесс коллапса представляет собой одну из самых интригующих загадок квантовой механики — проблему измерения. Почему именно в этот момент происходит коллапс? Почему одно состояние выбирается из множества возможных? Эти вопросы до сих пор остаются открытыми для обсуждения и исследований.
После того как мы «нарезали торт», у нас появляется новый торт — новая квантовая волновая функция. Если мы больше не проводим измерения, этот новый торт также будет изменяться со временем, но уже по своим законам — как будто он снова начинает колебаться, но с совершенно новым вкусом и текстурой.
Наблюдатель в квантовом мире — это не просто сторонний участник; он активно формирует реальность своими выборами и действиями.
Коллапс волновой функции: игра вероятностей
Представьте себе, что волновая функция — это огромный торт, состоящий из множества слоев, каждый из которых представляет собой возможное состояние системы. Когда мы решаем «нарезать» этот торт (т.е. провести измерение), мы не можем точно предсказать, какой кусок окажется на нашем блюде. Вероятность выбора того или иного состояния определяется коэффициентами расширения первоначальной волновой функции. То есть, когда мы «режем» торт, кусок, который мы получаем, выбирается случайно — это чистая вероятность.
Эта непредсказуемость так расстроила Альберта Эйнштейна, что он произнес свою знаменитую фразу: «Бог не играет в кости с вселенной». На что Нильс Бор остроумно ответил: «Эйнштейн, перестань говорить Богу, что делать!» Эта дискуссия стала символом глубоких философских разногласий в физике.
Однако настоящая интрига заключается не только в вероятностной природе коллапса волновой функции. Более глубокое беспокойство многих физиков связано с тем, что наблюдатель теперь играет активную роль в формировании нашей реальности. До коллапса волновой функции наблюдатель казался просто пассивным свидетелем происходящего. Но в момент измерения всё меняется: наблюдатель не просто фиксирует данные, он становится участником в создании новой реальности.
Когда мы выбираем, что измерить, и проводим измерение, происходит резкое изменение волновой функции. Этот процесс можно представить как выбор кусочка торта: каждое измерение определяет, какой именно «кусок» станет новой реальностью. И вот тут начинается настоящая игра — наблюдатель может выбирать, каким образом «резать» торт.
Каждый раз, когда наблюдатель решает, что именно измерить, он фактически выбирает операторы — правила, по которым будет «разрезан» торт. Это означает, что разные наблюдаемые величины приводят к различным предпочтительным базам и возможным состояниям. Таким образом, наблюдатель может не только решить, будет ли произведено измерение (т.е. будет ли торт нарезан), но и каким образом это произойдет (т.е. как именно будет нарезан торт).
Это открывает двери для бесконечных возможностей: один и тот же набор квантовых состояний может привести к совершенно различным реальностям в зависимости от выбора наблюдателя. Каждый раз, когда мы «нарезаем» торт по-разному, мы создаем новую версию реальности.
Коллапс волновой функции не просто случайный процесс; это момент, когда наблюдатель становится активным участником в формировании реальности. Мы не просто фиксируем результаты — мы создаем их своими выборами и действиями. В этом квантовом танце неопределенности и определенности каждый из нас является художником своей собственной картины реальности.
Квантовая реальность: как наблюдатель формирует вселенную
В нашем понимании мира наука больше не является просто исследованием независимого «внешнего» космоса. Новейшие открытия в области квантовой физики показывают, что наше восприятие реальности напрямую зависит от нас, наблюдателей. Это открытие даже более убедительно, чем теории относительности, подчеркивающее, что пространство и время — это не просто абстрактные концепции, а сущности, определяемые нами, теми, кто наблюдает. Но это еще не все: в квантовом мире акт наблюдения сам по себе изменяет нашу реальность!
Представьте, что вы стоите перед холстом, и каждое ваше движение кистью создает новую реальность. Именно так работает квантовая механика. Когда мы проводим измерение, мы не просто фиксируем данные — мы фактически «нарезаем» волновую функцию, выбирая одно из множества возможных состояний. Это не просто метафора; это суть квантового коллапса.
Тем не менее, в научном сообществе существует множество мнений. Некоторые физики утверждают, что коллапс волновой функции не следует рассматривать как часть формулировки квантовой механики. Они ссылаются на интерпретацию «множества миров», которая утверждает, что коллапс не происходит. Вместо этого эта теория предполагает бесконечное число альтернативных вселенных, каждая из которых существует параллельно. Однако ни одна из этих вселенных не может быть экспериментально проверена!
Интерпретация множества миров привносит в теорию нечто новое — но это также создает ряд нерешенных вопросов. Например, какова природа распределения вероятностей, если волновая функция не коллапсирует? Что именно вызывает разделение вселенной, если наблюдатель не участвует в этом процессе? И почему вообще должно существовать «предпочтительное основание» для этого разделения? Эти вопросы остаются без ответа и ставят под сомнение возможность этой интерпретации объяснить квантовую механику без участия наблюдателя.
Мы стремимся к прямому эмпирическому пониманию квантовой механики, избегая искусственных добавлений к теории. Поэтому мы вернемся к классической формулировке квантовой механики, которая включает коллапс волновой функции.
Квантовая механика открывает перед нами захватывающий мир возможностей. Мы не просто наблюдаем за реальностью; мы активно участвуем в ее создании. Каждый раз, когда мы выбираем, что измерить или как интерпретировать данные. И в этом танце неопределенности и определенности мы все являемся соавторами удивительного произведения под названием «Вселенная».
Это третья часть большой статьи Как философия Мадхьямики объясняет загадку квантовой физики
Первая часть - https://dzen.ru/a/ZuqVLCktjDULb2Em
Вторая часть - https://dzen.ru/a/ZxJy3QUt2UElVc_V
Так что в следующий раз, когда вы столкнетесь с выбором — помните: вы не просто наблюдатель; вы — творец своей реальности!