Эффект наблюдателя в наблюдателе не нуждается

Часть 1: ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ

Под могущественным взором наблюдателя частицы перестают проявлять волновые свойства и оказываются в конкретных точках пространства. Сознание способно влиять на окружающий мир. Да что там, именно сознание его и формирует. И что, мы радостным строем вернемся к антропоцентризму?

Нейтан Янг открывает бутылку силой мысли

Квантовая физика не укладывается в наш привычный стиль мышления, из-за чего сложна для понимания. Поэтому распространители эзотерических услуг и знаний часто использует ее терминологию для придания наукообразности и основательности своим фантазиям. И особенно они любят эксплуатировать «эффект наблюдателя». Например, эзотерическая чушь типа «квантовой психологии», основанная на непонимании квантовой физики, или фильма «Секрет».

Сначала разберемся с волновой функцией:

1. Волновая функция характеризует степень присутствия частицы в разных местах.

2. В эксперименте по отслеживанию положения электрона квадрат волновой функции дает вероятность обнаружения его в разных местах. Поэтому ее можно представить, как описание волны вероятности.

3. Волны вероятности, как и все прочие волны, описываются волновым уравнением. Уравнение Шредингера описывает распространение волны вероятности положения частицы в пространстве. Решение этого уравнения и есть волновая функция распределения вероятности:

Одномерное стационарное уравнение Шрёдингера: ψ — волновая ф-ция, x — расстояние, h — постоянная Планка, m, E и U — соответственно масса, полная энергия и потенциальная энергия частицы.

Получается, что всякие штуки могут находиться в нескольких местах одновременно, но непонятно почему это ненаблюдаемо. Эту непонятность назвали проблемой измерения и разрешили при помощи Копенгагенской интерпретации, согласно которой:

если штуку никто не наблюдает, то ее волновая функция изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, а если производится наблюдение, то волновая функция мгновенно и скачкообразно коллапсирует – и штука обнаруживается в одном конкретном месте (состоянии).

Привет знакомый мир! Где у всего есть свое место в каждый момент времени, а мы либо знаем где она сейчас, либо нет.

Заметили подвох? Коллапс не только скачкообразный, но и случайный. И если такая фундаментальная случайность заложена в устройстве мира, значит прощай детерминизм и принципиальная возможность прогнозирования. А ведь наука именно этим и занимается: ищет законы, с помощью которых можно предсказывать поведение и свойства систем с заданными параметрами.

Упс! Физика больше не нужна. Эйнштейн вот очень огорчился такими перспективами.

Нильс Бор — один из авторов Копенгагенской интерпретации и сторонник идеи о созидающем сознании.

Итак, в копенгагенской интерпретации есть 3 основные проблемы:

1. стоит только хоть кому-то во всей вселенной выполнить наблюдение – волновая функция случайно изменится;

2. неприятный возврат к антропоцентризму, когда человек опять помещается в центр всего и даже получает статус созидателя реальности;

3. нет математического описания такого явление, как наблюдение, из-за чего непонятно нужен ли для коллапса именно человек, или достаточно котожука, видеокамеры, робота…

Почему она все еще используется? Потому что это удобно и когда-то физики так договорились.

Получается, что странности, вроде нахождения объекта одновременно в разных местах допустимы для микрообъектов и остаются в микромире. Макрообъекты (легко наблюдаемые), как ваш кот, подчиняются законам классической механики. Волшебным ключом Копенгагенский интерпретации квантовые странности запирают в микромире.

Но ведь эти объекты состоят из тех же атомов, а значит тоже могут находится сразу в разных местах?

Мысленный эксперимент с котом Шреденгира как бы намекает, что квантовые странности не удастся запереть в микроскопическом мире. Когда радиоактивный атом будет находиться в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося расстояния – макроскопический кот окажется в суперпозиции мертвого и живого. Микросуперпозиция усиливается до макро.

В теории хаоса описываются сложные системы, состояние которых очень сильно зависит от начальных условий. Минимальные флуктуации на старте могут привести к непредсказуемым последствиям. Причуды микромира должны прорываются в макромир.

Но когда именно коллапсирует волновая функция, только когда я увижу ураган, когда его заснимет спутник, или заметит пролетающая мимо стая птиц?

Снимок урагана Харви со спутника NASA

Если нужен именно носитель сознания, то спутник вместе с ураганом будут находится в квантовой суперпозиции, пока я их не обнаружу?

И если макрообъекты могут находиться сразу в нескольких местах, то почему они так никогда себя не ведут?

Часть 2: КВАНТОВЫЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

Это часть самая интересная и неоднозначная, но, возможно, самая простая для понимания в этой статье)

Хью Эверетт III

Согласно Копенгагенской интерпретации, коллапс волновой функции – гипотетический процесс мгновенного и случайного схлопывания волновой функции. Суперпозиция сводится к одному из возможных состояний – и мы наблюдаем объект только в этом состоянии. Никаких квантовых причуд!

Но есть другое решение, которое в 1957 предложил Хью Эверетт III: волновая функция никогда не каллапсирует.

Суперполная волновая функция, описывающая всю Вселенную, всегда подчиняется уравнению Шредингера и никак не зависит от наблюдений.

Когда я открываю ящик и смотрю на кота, волновая функция не коллапсирует, а превращается в описание суперпозиции двух разных наборов частиц, составляющих меня и кота. В одном кот жив и я довольна, в другой кот мертв и я грущу. Т.е. мое сознание находится сразу в 2-х состояниях, которым ничего не известно друг о друге. Каждое из моих состояний связано с состоянием кота – все воспринимается согласованным.

 Эверетт понял, что существует одна волновая функция и одна квантовая реальность, в которой множество частиц, составляющих нашу Вселенную, находится в 2х местах одновременно. А на практике это эквивалентно расщеплению Вселенной на 2 параллельных! В конце эксперимента будут существовать 2 мои копии. Каждая субъективно ощущает себя реальной, но совершенно не воспринимает существование другой. [1]

Расщепление параллельных вселенных происходит постоянно — их число огромно.

Макс Тегмарк называет совокупность квантовых вселенных, открытых Эвереттом, Мультиверсом III уровня:

Вселенные III уровня могут в смысле нашего 3-хмерного пространства располагаться прямо здесь, но они отделены от нас в гильбертовом пространстве. [1]

Каждая моя копия будет уверена, что исход случаен — я не могу его спрогнозировать. Противоположный исход также обязательно произойдет в другой параллельной вселенной.

В Мультиверсе III реализуются все возможные исходы — наблюдатель не может спрогнозировать, в какой вселенной он окажется. Все копии наблюдателя будут воспринимать события случайными. И да, теорией вероятности можно пользоваться)

Итак, согласно работе Хью Эверетта, волновая функция изменяется детерминистически согласно уравнению Шреденгера, а кажущаяся нам случайность вызвана расщеплением вселенной.

Эта работа все еще остается спорной, но находит все большее признание среди ученых.

Часть 3: ДЕКОГЕРЕНЦИЯ


Копенгагенская интерпретация объясняет, почему мы не видим квантовых причуд, так: пока мы не наблюдаем микрочастицы, они могут находиться в нескольких местах сразу, а вот стоит произвести наблюдение – волновая функция коллапсирует и частица уже находится только в одном месте.

А что если выкинуть наблюдение и наблюдателя?

Например, в случае с котом в изолированной системе всегда будет существовать квантовая суперпозиция живого и мертвого кота. Но реальные системы не бывают изолированными.

Коллапс волновой функции можно представить в виде числовых таблиц — матриц плотности. В них закодировано состояние чего-либо, т.е. волновая функция. Если какая-то штука может находиться только в 2-х местах — это можно описать матрицей 2×2:

[1, стр. 153]

Вероятность, что я найду эту штуку в каждом из возможных мест = 0,5. Это кодируется диагоналями обеих матриц (лево верх — право низ). Остальные два числа в каждой матрице — разница между квантовой и классической неопределенностями. Когда они = 0,5, мы имеем дело с квантовой суперпозицией, когда они равны нулю все сводится к классической неопределенности (вы просто не знаете, где именно этот объект сейчас). Если превратить недиагональные элементы в нули, то и станет или и произойдет коллапс волновой функции.

Если рассмотреть объект и сталкивающуюся с ним частицу, например один фотон, как единую изолированную систему и воспользоваться уравнением Шредингера, то недиагональные члены матрицы плотности будет стремиться к нулю. Этот эффект выглядит как коллапс волновой функции, хотя никакого коллапса на самом деле нет. Объект больше не может находиться в 2-х состояниях одновременно.

Сознание не имеет значения, наблюдатель не нужен – достаточно единичной передачи информации!

Ведь даже если всего один фотон отразиться от объекта, то спустя мгновение можно будет узнать местоположение этого объекта по дальнейшему положению фотона.

Мы не можем наблюдать макрообъекты сразу в нескольких местах, потому что их сложно изолировать, ведь о его поверхность постоянно рассеивается огромно количество частиц. Да и мы просто не способны увидеть объект, пока от него не отразятся фотоны. К тому времени, как мы будем способны заметить объект, он уже утратит состояние квантовой суперпозиции.

Этот процесс, при котором нарушается согласованность суперпозиционного состояния при взаимодействии системы с окружающей средой, называется декогеренция.

Квантовое наблюдение связано с передачей информации, а не с сознанием. Наблюдатель не нужен!

#airstreams_quantum

Во время написания текста ни один кот не пострадал!

Что почитать по теме?

  1. «Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности» Макс Тегмарк – благодаря этой книге, я решили вести свой блог https://www.instagram.com/air_streams/ в научно-популярном формате, благодаря ей появилась эта серия заметок. Если хотите знать состояние современной космологии, что было до большого взрыва, что такое параллельные Веселенные и какими они бывают, и вообще о фундаментальной природе реальности — прочтите ее) Она еще и очень простым языком написана.
  2. «Фейнмановские лекции по физике. Выпуск 8,9. Квантовая механика» – для тех, кто хочет начать с азов и действительно разобраться в квантовой механике. С этих лекций еще в действе началась моя большая любовь к физике.
  3. «Квантовая вселенна. Как устроено то, что мы не можем увидеть» Брайан Кокс, Джефф Форшоу – очень хороший научпоп о квантовой механике. Если вы когда-то решили, что квантовую механику, не сломав мозг, понять не возможно, или решили, что это сумасшествие, не имеющее отношения к реальности, то вы ошиблись. Да, квантовая механика все еще имеет так себе репутацию. Она контринтуитивна и бытовой логикой ее постичь, но на нее можно посмотреть по-другому. Реальность не может подстроиться под привычный нам образ мышления, зато наш разум гибкий.
  4. «Структура реальности Наука параллельных вселенных» и ее продолжение «Начало есконечности. Объяснения, которые меняют мир» Дэвид Дойч – для тех, кто хочет разобраться в квантовой механике и мультитиверсе, наслаждаясь логическими построениями. Идейно схож с Тегмарком.  В «Начале бесконечности…» о роли человека во Вселенной, и там много философии в хорошем смысле)
  5. «Relative State. Formulation of Quantum Mechanics» Hugh Everett, lIl — тезисы (автореферат) к диссертации Хью Эвверетта III, той самой, с которой все началось. Текст на английском, но как и все технические тексты доступен даже при так себе знании языка. Для тех, кто любит математику, и кому текст без формул кажется неубедительным.