В квантовом мире последствие может опережать причину

Учёные из Венского университета и Университета Либре де Брюсселя недавно доказали, что мир квантов ещё более странный и менее интуитивный, чем мы думали.

Это сложно понять, но мы скоро это объясним.

Что ж, в этом мире могут быть ситуации, когда причина также может быть результатом какого-то события. В нашей реальности мы все точно знаем, как это выглядит. Эффект в будущем не может наступить раньше его причины, которая имеет место в прошлом. Если событие A является причиной эффекта B, то B не может быть одновременно причиной A. Однако в мире квантовой механики это возможно.

Может быть легче поддержать пример, данный исследователями: Алиса входит в комнату с листком бумаги. Прочитав там сообщение, она стирает его и пишет свое сообщение на карточке. Боб входит в ту же комнату в разное время и делает то же самое — он читает сообщение из газеты, стирает его и пишет свое собственное. Если Боб входит в комнату после Алисы — он может прочитать то, что она написала, — но Алиса не сможет прочитать сообщение Боба.

Принцип Сковороды, или Озарение на Гельголанде

Архипелаг Гельголанд с высоты птичьего полета.

Перед прорывом

К середине 1920-х годов квантовая физика находилась в глубоком кризисе. В основе этого раздела науки об атомах и молекулах лежала гипотеза Макса Планка о квантах света, высказанная в 1900 году, планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году, и постулаты Нильса Бора, сформулированные в 1913-м. Ведущие физики уже не сомневались, что модель Бора — Зоммерфельда, с которой поначалу было связано столько надежд, не позволяет решать сложные задачи исследования микромира. Модели атомов с несколькими электронами давали результаты, не совпадающие с данными экспериментов. Исследователи в попытках рассчитать орбиты электронов внутри атома сталкивались с огромными техническими трудностями, громоздкими математическими вычислениями, что не приводило к желаемому результату. Сложно было объяснить, почему частота испускаемого света отличалась от частоты вращения электрона по своей орбите. Квантовая физика больше напоминала искусство, чем науку. Конкретные задачи ученые решали, делая те или иные допущения, опираясь на собственную интуицию и на философский принцип соответствия Нильса Бора, а не на единый формализм теории, который еще не был построен.

Нильс Бор и Макс Планк, 1920-е годы

Совместная статья Макса Борна и Вернера Гейзенберга о спектрах атома гелия, простейшего после водорода элемента в Периодической системе Менделеева, опубликованная в 1923 году, заканчивалась грустным признанием:

«Сравнение <теоретических и экспериментальных данных> показывает, что результат нашей работы полностью отрицательный. Более того, последовательный квантово-механический расчет в проблеме атома гелия ведет к неверным значениям энергии» (Kleinknecht, 2017 стр. 43).

О том же сообщал Гейзенберг другу Вольф­гангу Паули в феврале 1923 года:

«Мне кажется, что результат весьма плох для наших прежних представлений: необходимо вводить совершенно новые гипотезы — или новые квантовые условия, или видоизменять механику»(Cassidy, 1995 стр. 189).

А в марте того же года еще более резко:

«В принципе, мы оба убеждены, что все существующие модели атома гелия так же неверны, как и атомная физика в целом» (Kleinknecht, 2017 стр. 43).

Тупиковость существовавших подходов к познанию строения атома осознавал и Макс Борн, написавший в июне 1923 года в одной научной статье:

«Сейчас требуются не столько новые в привычном смысле слова физические гипотезы, сколько основательная перестройка всей системы понятий в физики» (Cassidy, 1995 стр. 189).

То же предлагал Макс Борн в своих лекциях по атомной механике, которые он читал студентам в 1923/24 учебном году. Нужна новая наука, которую он назвал «квантовой механикой», способная разрешить все накопившиеся противоречия. Борн говорил, что новая наука должна внести в атомную физику квантовую дискретность. Скачки электронов из одного стационарного состояния в другое не должны постулироваться «из головы», а обязаны вытекать из самой теории. Непрерывность процессов в классической физике должна быть заменена дискретностью микромира (Cassidy, 1995 стр. 212).

Эта идея оказалась близкой и Вернеру Гейзенбергу, очень интенсивно работавшему в те годы как в Гёттингене с Борном, так и в Копенгагене с Бором. В письме другу Паули от 9 октября 1923 года Вернер писал:

«Модельные представления принципиально имеют только символический смысл, они являются классическими аналогами „дискретной“ квантовой теории» (Cassidy, 1995 стр. 213).

Напряженность в среде физиков нарастала. Как часто бывает, когда многие недовольны сложившимся положением вещей, то тут то там возникают предложения, где искать выход. Особенно богатым на такие предложения стал 1924 год. Искры новых идей вспыхивали в Париже, Копенгагене, Гёттингене…

Модель Бора — Зоммерфельда позволяла довольно точно рассчитать положение спектральных линий излучаемого света, но не давала правильных результатов при оценке их интенсивности. Вернер Гейзенберг как раз и искал подходящие формулы для интенсивности линий спектра простейшего атома водорода, но ничего не получалось. Подход, предложенный Бором и развитый затем Зоммерфельдом, предполагал расчеты возможных орбит, по которым движутся электроны в атоме. Зная параметры орбит электронов, можно было бы вычислить и характеристики излучаемого или поглощаемого света при переходе электронов с одной орбиты на другую. Но трудности встречались на обеих стадиях: расчеты орбит приводили к немыслимо сложным вычислениям, а полученные при этом характеристики спектров сильно отличались от опытных данных. Гейзенберг сам потом вспоминал:

«Я увяз в непролазных дебрях сложных математических формул, из которых не находил никакого выхода. Однако в итоге этой попытки у меня упрочилось мнение, что не следует задаваться вопросом об орбитах электронов в атоме и что совокупность частот колебаний и величин (так называемых амплитуд), определяющих интенсивность линий спектра, может служить полноценной заменой орбитам. Во всяком случае, эти величины можно было как-никак непосредственно наблюдать» (Гейзенберг, 1989 стр. 188–189).

Как выглядят электроны в атоме и что представляют их орбиты, Вернер не раз обсуждал еще в студенческие годы с Вольфгангом Паули в аудиториях Мюнхенского университета. Не по годам мудрый Паули, всего на год старше Гейзенберга, уже тогда утверждал, что «электроны никак не выглядят» (Fischer, 2015 стр. 38). Теперь эта мысль стала доходить и до Вернера. Ни электроны, ни их орбиты внутри атома недоступны непосредственным наблюдениям. Так, может быть, и не нужно тратить силы, чтобы рассчитывать ненаблюдаемые орбиты? Ведь даже если в будущем и появятся тончайшие измерительные средства, позволяющие проводить такие наблюдения, построенная на них теория, скорее всего, даст результаты, далекие от экспериментальных данных.

Отказ от вычисления траекторий электронов в атоме означал коренную смену образа мыслей, или, как сейчас говорят, смену парадигмы мышления физиков. Сделать такой революционный шаг удается немногим. Гейзенбергу удалось.

Новый поворот в квантовой теории мозга

Мэтью Фишер,

предложивший теорию о влиянии квантовых эффектов на работу мозга

Простое упоминание «квантового сознания» причиняет большинству физиков дискомфорт, поскольку эта фраза, судя по всему, напоминает им бормотание какого-нибудь гуру от "Нью Эйдж". Но если новая гипотеза подтвердится, окажется, что квантовые эффекты действительно играют некую роль в человеческом сознании. Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в прошлом году удивил многих, опубликовав в Annals of Physics работу с предположением о том, что ядерные спины атомов фосфора могут служить рудиментарными кубитами мозга – из-за чего он способен работать по принципу квантового компьютера.

Ещё лет 10 назад эту гипотезу отвергли бы как нонсенс. Физики уже наступали на подобные грабли, в особенности в 1989 году, когда Роджер Пенроуз предположил, что загадочные белковые структуры, "микротрубочки", играют роль в формировании сознания, используя квантовые эффекты. Мало кто поверил в достоверность такой гипотезы. Патрисия Чёрчлэнд [Patricia Churchland], нейрофилософ из Калифорнийского университета, высказалась на эту тему, что для объяснения сознания с тем же успехом можно рассуждать о «волшебной пыльце фей в синапсах».

У гипотезы Фишера те же трудности, что и микротрубочек: квантовая декогеренция. Для постройки рабочего квантового компьютера необходимо объединить кубиты – квантовые биты информации – чтобы привести их в запутанное состояние. Но запутанные кубиты весьма хрупки. Их нужно тщательно ограждать от любого шума в окружающей среде. Один лишь фотон, столкнувшийся с кубитом, нарушит когерентность всей системы, уничтожит запутанность и разрушит квантовые свойства системы. Квантовую обработку тяжело вести в тщательно контролируемых лабораторных условиях, не говоря уже о тёплой, влажной и сложной каше человеческой биологии, в которой поддержание когерентности в течение достаточно длительного времени практически невозможно.

Но за последнее десятилетие появляется всё больше доказательств того, что некоторые биологические системы могут работать с квантовой механикой. Например, в процессе фотосинтеза квантовые эффекты помогают растениям превращать солнечный свет в топливо. Учёные также предполагают, что у перелётных птиц есть «квантовый компас», позволяющий им использовать для навигации магнитное поле земли, и что чувство запаха также корнями уходит в квантовую механику.

Идея Фишера о квантовой обработке данных в мозгу вписывается в новое научное направление квантовой биологии. Назовите это квантовой нейробиологией. Он разработал сложную гипотезу, включающую ядерную и квантовую физику, органическую химию, нейробиологию и биологию. И хотя его идеи сталкиваются с высоким уровнем понятного скептицизма, некоторые исследователи обращают на них внимание. «Читавшие его работы люди (а я надеюсь, что их станет больше), не могут не прийти к выводу о том, что старик не так уж и безумен», писал Джон Прескилл, физик из Калифорнийского технологического института после того, как Фишер делал там доклад. «Он, возможно, что-то нащупал. По меньшей мере, он поднимает весьма интересные вопросы».

Сентил Тодадри [Senthil Todadri], физик из MIT, давний друг и коллега Фишера, сохраняет скептицизм, но считает, что Фишер изменил главный вопрос – происходит ли в мозгу квантовые вычисления – таким образом, что появилась возможность тщательно проверить эту гипотезу. «Принято считать, что разумеется, ни о каких квантовых вычислениях в мозгу не может быть и речи,- говорит Тодадри. – Он же утверждает, что на этот счёт есть ровно одна лазейка. Так что следующим шагом станет проверка возможности эту лазейку прикрыть». И в самом деле, Фишер уже набирает команду для проведения лабораторных тестов, отвечающих на этот вопрос раз и навсегда.

Квантовая физика способна объяснить появление у человека сознания?

Происхождение сознания всегда было загадкой для ученых и философов, каждый из которых пытался найти свое логическое решение этому вечному вопросу.

Хотя некоторые нейробиологические исследования все же смогли выявить определенную мозговую активность, которая однажды может пролить свет на вопрос о происхождении сознательного мышления, ряд электрохимических изменений в клетках головного мозга человека все еще остается загадкой для исследователей в области нейробиологии.

Как нервная ткань порождает мысль?

Несмотря на то, что человечество далеко продвинулось в своих нейробиологических исследованиях, мы до сих пор точно не знаем, каким же именно образом нервная ткань способна породить мысль. По словам Изи Столл, директора Западного Института перспективных исследований, механизм возникновения мысли представляет собой малоизученную и весьма специфичную особенность нейронных сетей. Из-за того, что большинство теорий о возникновении сознания пришли к нам из когнитивной науки, ни одна из официально озвученных гипотез так и не нашла ответ на то, что же именно дало эволюции толчок к развитию сознательного мышления. Для тех ученых, которые стремятся найти научное и рациональное объяснение происходящих в мозге человека процессов, одним из решений сложившейся проблемы может стать изучение их взаимосвязи с квантовым миром.

Может ли квантовая физика объяснить появление у человека сознания?

Квантовая физика — один из наиболее таинственных разделов теоретической физики, который изучает поведение атомных и субатомных частиц, ведущих себя как волны. Физические процессы, происходящие в мире квантовой механики, являются настолько же таинственными, как и само сознание. Так, никому неизвестно, что же именно происходит с субатомными частицами, которые существуют в двух местах одновременно или же с кошкой, которая в эксперименте Шредингера и жива, и мертва в один и тот же момент времени. Что, если аналогичные процессы происходят и в момент зарождения у человека сознания и способности осознавать себя?

Рандонавты: кто это такие и почему маршруты их прогулок определяет чат-бот

Рандонавты (английское randonauts от random — случайный и astronaut — астронавт) — небольшое, но быстро растущее интернет-сообщество, считающее, что посещение точек, координаты которых предложил квантовый генератор случайных чисел, помогает находить сбои в матрице окружающего нас мира.

Это печальный факт, но большинство из нас действительно живет достаточно скучно с географической точки зрения. Закрепляясь на одном месте, мы создаем привычки, ходим по определенным маршрутам и тем самым упрощаем симуляцию — если она существует — делая свои перемещения предсказуемыми. Рандонавты надеются использовать эту рутину в своих интересах, вводя в прогулки элемент непредсказуемости. Они утверждают, что отклонение от проторенных путей и поход в действительно случайные районы, о которых мы никогда бы и не подумали, позволяет найти другую реальность. Даже если вам не близка эта концепция, приключение в стиле рандонавтов может стать прекрасной идеей для выходного.

The Fatum Project — объединение, разработавшее технологическую и философскую составляющую движения рандонавтов. Оно опиралось на выводы Исследовательской лаборатории инженерных аномалий Принстонского университета, касающиеся того, может ли человеческая мысль повлиять на события в реальном мире. Основатели The Fatum Project надеются, что рандонавты смогут покинуть свои «туннели реальности» и открыть новые.

Начать легко. Войдите в Telegram и отправьте команду «/ getattractor» вместе с вашим местоположением в @shangrila_bot (ранее также работал @Randonaut_bot). В ответ бот выдаст ближайшую к вам область с самой высокой концентрацией примечательных объектов, выбранную с помощью квантового генератора случайных чисел. И наоборот, если вам больше по душе пустота, то вы можете отправить команду «/ getvoid», а бот назовет забытый район. На Reddit рандонавты писали, что по запросу «/ getattractor» находили на прогулках перевернутый самолет, совершенно неподвижную ламу, три одинаковых черных кошки, семейство лошадей в общественном парке и замершую птицу. Авторы запросов «getvoid» обнаруживали заброшенные локации, жуткие вывески и другие признаки разложения.

Ник Хинтон, 24-летний студент-философ Университета Толедо, является администратором сообщества рандонавтов на Reddit и управляет Instagram-аккаунтом The Fatum Project. Его первая прогулка в место, выбранное генератором, состоялась в апреле 2019 года. По словам Хинтона, он прошел километр и оказался возле уличного фонаря, рядом с которым лежала одна перчатка. Его телефон зависал при каждой попытке сделать снимок, но снова начинал работать на некотором расстоянии от этой точки.

Хинтон надеется, что еще большее число людей изменит свой взгляд на мир с помощью таких мини-путешествий. The Fatum Project планирует выпустить мобильное приложение Randonautica, которое упростит выбор локации для прогулки.

Пожалуй, ни один мыслитель не посвятил так много внимания идее о мире-симуляции, как Юрген Шмидхубер — немецкий ученый, чья новаторская работа в области нейронных сетей принесла ему неофициальное звание «отца современного ИИ». С 1997 года Шмидхубер занят собственной миссией — он хочет доказать или опровергнуть возможность того, что все мы живем внутри компьютера. Спустя 20 лет он все еще не пришел к окончательному выводу.

Attractor generated. power: 7.10

3.67 Lama at a front door, stood completely still and didn't move the entire time

First trip led me to a glitch

You can see the housing estate more on this photo. We weren’t in the countryside, it was a public park in Manchester UK. Horses aren’t allowed to be kept in places without an owner I’m assuming. Cos I’ve never seen this before. Just putting this up so people know I’m not bullshiting.

There was a bird just sitting on the EXACT ATTRACTOR POINT. Didn’t move no matter how close I got and I squatted down and talked to it a bit. Showed him a pic of my girl on my phone. Only ran off when I tried to pet him. This was my first time trying this!

Creepy void attractor from last night.

Not too far from an ancient battle ground.

«У нас нет никаких вещественных доказательств того, что наша Вселенная на самом деле не управляется короткой [компьютерной] программой», — говорит Юрген Шмидхубер.

Карло Ровелли «Семь этюдов по физике»

Квантовая теория применяется в самых разных сферах — от мобильных телефонов до физики элементарных частиц, но во многом до сих пор остается загадкой для ученых. Ее появление стало революцией в науке, даже Альберт Эйнштейн сомневался в ней и спорил с Нильсом Бором практически всю жизнь.

Отрывок из книги итальянского физика Карло Ровелли «Семь этюдов по физике», которую перевели более чем на 40 языков и в которой он рассказывает, как в XX веке открытия в физике изменили наши знания о Вселенной.

Обычно говорят, что квантовая механика родилась точно в 1900 году, фактически ознаменовав наступление века напряженной мысли. Немецкий физик Макс Планк вычислил электрическое поле в горячем ящике в состоянии теплового равновесия. Для этого он прибегнул к трюку: представил, будто энергия поля распределена по «квантам», то есть сосредоточена в пакетах, порциях. Это ухищрение привело к результату, который прекрасно воспроизвел измерения (а значит, обязательно в какой-то степени был правильным), но расходился со всем, что тогда было известно. Считалось, что энергия изменяется непрерывно, и не было причин обращаться с ней так, словно она сложена из небольших кирпичиков. Вообразить энергию составленной из ограниченных пакетов было для Планка своеобразной вычислительной уловкой, и он сам не понял до конца причину ее эффективности. И снова Эйнштейн пять лет спустя осознал, что «пакеты энергии» реальны.

Эйнштейн показал, что свет состоит из порций — частиц света. Сегодня мы называем их фотонами. […]

К работе Эйнштейна коллеги поначалу отнеслись как к неуклюжей пробе пера исключительно одаренного юноши. Именно за эту работу он впоследствии получил Нобелевскую премию. Если Планк — отец теории, то Эйнштейн — родитель, воспитавший ее.
Однако, как любое дитя, теория затем пошла своим собственным путем, не распознанным самим Эйнштейном. Только датчанин Нильс Бор во втором и третьем десятилетиях XX века положил начало ее развитию. Именно Бор понял, что энергия электронов в атомах может принимать лишь определенные значения, как энергия света, и, самое главное, что электроны способны только «перескакивать» между одной атомной орбитой и другой с фиксированными энергиями, испуская или поглощая фотон при скачке. Это знаменитые «квантовые скачки». И именно в институте Бора в Копенгагене самые блестящие молодые умы века собрались вместе, чтобы изучить эти загадочные особенности поведения в мире атомов, попытаться привнести в них порядок и построить непротиворечивую теорию. В 1925 году уравнения теории наконец появились, заменив собой всю механику Ньютона. […]

Первым, кто написал уравнения новой теории, основываяcь на невообразимых идеях, был молодой немецкий гений — Вернер Гейзенберг.

«Уравнения квантовой механики остаются загадочными. Поскольку описывают не то, что происходит с физической системой, а только как физическая система влияет на другую физическую систему»

Гейзенберг предположил, что электроны существуют не всегда. А только тогда, когда кто-то или что-то наблюдает за ними — или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются на месте, с вычислимой вероятностью, когда с чем-либо сталкиваются. Квантовые скачки с одной орбиты на другую — единственный способ быть «реальными» в их распоряжении: электрон есть набор скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не тревожит, он не находится ни в каком конкретном месте. Он вообще не в «месте».

Словно Бог не изобразил реальность четко прочерченной линией, а лишь наметил ее еле видным пунктиром.

Алиса в Квантовой Земле: аллегория квантовой физики

В 1995 году физик Роберт Гилмор, профессор Бристольского университета, написал очаровательный ликбез по квантовой механике — по мотивам кэрролловской «Алисы в Стране чудес». В нем Алиса встречается с фотонами, узнает от русалки о теории мультиверса и наблюдает за антиматерией.

Несколько отрывков из книги — о том, как работает распределение вероятностей и почему энергия похожа на деньги.

Неслучайный дом

…Она вышла на пустую площадку возле дороги, где группа строителей столпилась возле кучи кирпичей. Алиса предположила, что это строители, поскольку они выгружали новые кирпичи из маленькой тележки. «Как минимум эти люди, кажется, ведут себя благоразумно», — подумала она. Сразу после этого из-за угла выбежала другая группа, держа что-то, что было похоже на очень большой свернутый ковер, и принялась расстилать его по стройплощадке. Когда полотно развернули до конца, Алиса увидела, что это что-то вроде строительного плана. Это выглядело как очень большой план, потому что он покрывал большую часть доступного пространства. «Зачем они это делают? Я уверена, что он того же размера, что и здание, которое они собираются здесь возводить, — размышляла вслух Алиса. — Но как они смогут построить что-нибудь, если план уже занимает все место?»

Строители закончили укладывать план на место и вернулись к груде кирпичей. Все они подняли кирпичи и начали швырять их на план в случайном порядке. Воцарился хаос: что-то случайно падало на одно место, что-то — на другое, и Алиса не могла понять, в чем замысел. «Что вы творите? — спросила она человека, который стоял в сторонке. Он ничего не делал, так что она предположила, что это бригадир. — Вы просто создаете беспорядочные кучи кирпичей. Разве вам не надо возводить здание?»

«Конечно надо, дорогая, — ответил бригадир. — Действительно, случайные флуктуации достаточно велики, чтобы cкрыть шаблон, но поскольку мы подложили распределение вероятностей для нужного нам результата, мы к нему придем, не беспокойся».

Алиса почувствовала, что это выражение оптимизма прозвучало не очень убедительно, но осталась на месте и смотрела, как дождь из кирпичей продолжает падать на площадку. Постепенно, к своему изумлению, она обнаружила, что на определенные участки падало больше кирпичей, чем на другие, так что она увидела проступающие схемы дверей и стен. Она зачарованно наблюдала, как узнаваемые формы комнат начали появляться из исходного хаоса. «Это потрясающе! — закричала она. — Как вам удалось это сделать?»

«Разве я не сказал? — улыбнулся бригадир. — Ты видела, как мы положили на землю распределение вероятностей перед тем как начать. Оно определяет, где должны быть кирпичи, а где их быть не должно. Это необходимо сделать перед тем, как класть кирпичи, поскольку мы не можем предсказать, куда попадет каждый брошенный нами кирпич, ты же понимаешь».

«Я не понимаю, почему, — перебила его Алиса. — Я привыкла к тому, что кирпичи кладут на место один за другим, в аккуратные ряды».

«Ну знаешь, это не способ для Страны квантов. Здесь мы не можем контролировать траекторию каждого отдельного кирпича — только вероятность того, что он попадет в то или другое место. Это означает, что когда у тебя всего несколько кирпичей, они могут оказаться где угодно и будет казаться, что системы нет вообще. Но с увеличением их числа ты понимаешь, что кирпичи оказываются только там, где существует вероятность их появления, и чем выше вероятность, тем больше кирпичей там оказывается. Когда ты используешь очень много кирпичей, это все прекрасно срабатывает».

Энергетический займ

Когда Алиса прошла в двери, она оказалась в большом зале с колоннами и стенами, отделанными мрамором. Изнутри банк выглядел похожим на любой другой. Вдоль дальней стены тянулась линия кассовых окошек, а пространство было разделено портативными перегородками, так что клиентам пришлось выстраиваться в аккуратные очереди, чтобы их обслужили. Однако в данный момент посетителей в зале не было: кроме кассиров и охранника никого не было видно.

Поскольку Алисе посоветовали обратиться за информацией в банк, она целеустремленно направилась к линии окошек. «Постойте! — закричал ей охранник. — Куда это вы собираетесь, юная мисс? Вы не видите, что тут очередь?»

«Извините, — ответила Алиса. — Но я не вижу очереди. Тут никого нет».

«Конечно, есть, и их множество! — решительно ответил страж. — Похоже, сегодня у нас тут целый наплыв «никого». Хотя обычно мы относимся к ним как к виртуальным посетителям. Я редко видел так много виртуальных частиц, ожидающих своих энергетических займов».

У Алисы появилось уже знакомое чувство, что ситуация вряд ли быстро прояснится. Она оглядела окошки и увидела, что, хотя комната оставалась пустой, кассиры были очень заняты. Наблюдая за ними, она заметила, как то перед одним, то перед другим окошком появляются яркие фигурки и быстро мчатся прочь из банка. У одной из касс она увидела пару фигур, материализовавшихся одновременно. В одной она узнала электрон, а другой был похож на его фотографический негатив, во всем противоположный тем электронам, которые ей уже доводилось видеть.

«Это позитрон, антиэлектрон», — прошептал ей на ухо голос. Алиса обернулась и увидела хорошо одетую молодую женщину строгого вида. «Кто вы?» — спросила у нее девочка.

«Я Менеджер банка, — ответила ее собеседница. — Я отвечаю за выдачу энергетических займов всем виртуальным частицам. Большинство из них фотоны, как ты можешь заметить, но иногда к нам приходят пары частиц и античастиц».

«Зачем им нужен энергетический займ? — спросила Алиса. — И почему я не могу их видеть до того, как они его получат?»

«Понимаешь, — ответила Менеджер, — чтобы частица могла существовать должным образом, то есть свободно перемещаться и быть наблюдаемой, ей необходим определенный минимум энергии, который мы называем остаточной энергией массы. У этих бедных виртуальных частиц нет даже такого количества энергии. К счастью для них, они могут одолжить ее у нас в банке, и это позволяет им существовать какое-то время». Она показала на висящую на стене табличку, которая гласила:

«Условия займа: ΔE х Δt = ħ/2. Cвоевременная оплата приветствуется»

«Это называется соотношением неопределенностей Гейзенберга, — пояснила Менеджер. — Оно регулирует все наши транзакции. Стоимость ħ называется постоянной Планка. Это отношение определяет курс обмена для любых энергетических заемов. ΔE — это количество энергии, которую занимают, а Δt — период, на который выдается займ».

«Вы имеете в виду, — предположила Алиса, пытаясь уследить за мыслью Менеджера, — что это как обменный курс между разными видами денег, так что чем больше срок займа, тем больше энергии они могут получить?»

«О, нет! Как раз наоборот! Перемноженные друг на друга энергия и время остаются константой, так что чем больше энергии в займе, тем меньшее количество времени ей можно пользоваться. Если хочешь наглядно увидеть то, что я имею в виду, просто взгляни на этих экзотических частицу и античастицу, которые только что взяли займ в окошке № 7».

Брайан Кокс и Джефф Форшоу: «Квантовая вселенная»

В зависимости от точки зрения квантовая теория — это либо свидетельство обширных успехов науки, либо символ ограниченности человеческой интуиции, которая вынуждена бороться со странностью субатомной сферы. Для физика квантовая механика — одна из трех великих опор, на которых основано понимание природы (наряду с общей и специальной теориями относительности Эйнштейна).

Для тех, кто всегда хотел хоть что-нибудь понять в фундаментальной модели устройства мира, объясняют ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу в своей книге «Квантовая вселенная».

Публикуется небольшой отрывок о сути кванта и истоках теории.

Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения.

Квантовая механика занимается всем остальным, и можно сказать, что, как бы она ни взывала к чувствам, сбивала столку или завораживала, это всего лишь физическая теория, описывающая то, как природа ведет себя в действительности. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой.

Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования. Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы.

Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером и Нью-Йорком с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались.

Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную.

Она полезна, потому что понимание поведения малейших кирпичиков мироздания укрепляет понимание всего остального. Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.

Представьте мир вокруг нас. Скажем, вы держите в руках книгу, сделанную из бумаги — перемолотой древесной массы. Деревья — это машины, способные получать атомы и молекулы, расщеплять их и реорганизовывать в колонии, состоящие из миллиардов отдельных частей. Они делают это благодаря молекуле, известной под названием хлорофилл и состоящей из ста с лишним атомов углерода, водорода и кислорода, которые имеют изогнутую особым образом форму и скреплены еще с некоторым количеством атомов магния и водорода. Такое соединение частиц способно улавливать свет, пролетевший 150 000 000 км от нашей звезды — ядерного очага объемом в миллион таких планет, как Земля, — и переправлять эту энергию вглубь клеток, где с ее помощью создаются новые молекулы из двуокиси углерода и воды и выделяется дающий нам жизнь кислород.

Именно эти молекулярные цепи формируют суперструктуру, объединяющую и деревья, и бумагу в этой книге, и все живое. Вы способны читать книгу и понимать слова, потому что у вас есть глаза и они могут превращать рассеянный свет от страниц в электрические импульсы, интерпретируемые мозгом — самой сложной структурой Вселенной, о которой мы вообще знаем.

Время существует лишь в наших головах

Ось времени (стрела времени)

Прошлое. Настоящее. Будущее. Для физики это все одно и то же. Однако для вас, меня и всех остальных время движется только в одном направлении: от ожиданий к опыту и воспоминаниям. Эта линейность носит название оси времени (иногда называют стрелой времени), и некоторые физики считают, что движется она в одном направлении только для человека и других видов, способных воспринимать ее движение только таким образом.

Вопрос оси времени разбирается учеными уже довольно давно. И основной его аспект заключен не в том, существует ли время вообще, а в том, в каком направлении это время движется на самом деле. Многие физики считают, что время проявляется тогда, когда достаточное количество крошечных элементарных частиц, индивидуально управляемых довольно странными законами квантовой механики, начинают между собой взаимодействовать и проявлять поведение, которое можно объяснить уже с помощью классических законов физики. Однако на страницах свежего номера немецкого журнала Annalen der physic (тот самый журнал, на страницах которого была опубликована серия статей Эйнштейна об общей и специальной теориях относительности) два ученых заявляют, что гравитация не обладает достаточной силой для того, чтобы абсолютно все объекты Вселенной следовали принципу направления оси времени прошлое — настоящее — будущее. Вместо этого ученые считают, что саму ось времени создают сторонние наблюдатели.

Одна из основных современных проблем физики заключается в подстроении квантовой механики к классической. В квантовой механике частицы могут обладать суперпозициями. 

Например, один электрон может существовать сразу в двух местах одновременно и выяснить, где какой, нельзя до тех пор, пока не проведешь наблюдение. Здесь основным аспектом является вероятность. Выяснить расположение можно только экспериментальным путем.

Однако правила резко меняются, если электроны начинают взаимодействовать с другими объектами, например, с атомами воздуха, или в составе частиц пыли и вообще всех видов вещества. Здесь в силу вступают правила классической механики, а важнейшим фактором взаимодействия этих частиц становится гравитация.

«Позиция электрона, каждого атома управляется вероятностью», — говорит Ясунори Номура, физик Калифорнийского университета в Беркли.

Но как только они начинают взаимодействовать с более крупными частицами или становятся частью объекта, например, бейсбольного мяча, то все эти индивидуальные вероятности их позиции смешиваются, а шансы нахождения всех этих электронов в суперпозиции уменьшаются. Поэтому вы никогда не увидите, как один и тот же бейсбольный мяч сможет находиться в двух местах сразу – в перчатке кэтчера и вылетающим за пределы игрового поля.

Момент, когда физика элементарных частиц сталкивается (сливается) с классической механикой, называется декогеренцией. С точки зрения физики это происходит тогда, когда направление течения времени становится математически значимым. Многие физики считают, что ось времени как раз и происходит из декогеренции.

Теорему о свободе воли проверили экспериментально

Физики из Китая и Испании впервые провели опытную проверку теоремы о свободе воли, которая утверждает, что экспериментатор свободен в выборе того, какое наблюдение осуществить. Теорема о свободе воли базируется (согласно авторам исследования) на трех аксиомах: (а) существует максимальная скорость распространения информации, (б) отдельные частицы могут проявлять контекстуальность и (в) есть квантовая нелокальность. Посвященный исследованию препринт авторы опубликовали на сайте arXiv.org.

В своем экспериментальном исследовании ученые запутали пару фотонов, после чего разнесли их по разным лабораториям (на расстояние до двух метров), где измерили поляризации частиц. Физики в ходе экспериментов убедились в справедливости трех аксиом. Выполнение трех постулатов предполагало существование верхней границы на корреляцию между результатами измерений, проведенными в какой-либо из лабораторий, и корреляцией между результатами измерений, проведенными в обеих лабораториях. Ученые наблюдали нарушение этой границы со статистической значимостью 66 стандартных отклонений.

Контекстуальность является проявлением способа измерения состояния квантового объекта. Например, можно потрясти пару игральных костей в закрытом коробе. В классическом случае конечный результат не будет зависеть от способа, каким его будет пытаться узнавать наблюдатель. В квантовом случае результат эксперимента (расклад игральных костей при их подбрасывании в закрытом коробе) станет известен только после процедуры измерения (иначе говоря — контекста эксперимента).

Запутанность (квантовая нелокальность) пары частиц предполагает сохранение ими информации о своих состояниях даже при их разнесении на расстояния. Такие частицы нарушают принцип локальности, согласно которому на состояние объекта может оказывать влияние только его близкое окружение.Ученые пытались сохранить принцип локальности в микромире, полагая, что квантовая механика содержит так называемые скрытые параметры, которые не учитывает экспериментатор. Математическим выражением этого утверждения стали неравенства Белла, нарушение которых свидетельствует об отсутствии скрытых параметров. Обобщением неравенства Белла на контекстуальные измерения стали неравенства Кочена-Спекера. Неоднократные эксперименты показали нарушение этих утверждений и таким образом продемонстрировали отсутствие в природе скрытых параметров, полноценность описания микромира квантовой механикой и отсутствие локального реализма.

Свободная Воля атеиста –

Сэм Харрис

Свобода воли,

которой не существует

Сэм Харрис

Сэм предельно ясно раскрывает тему свободной воли, смысла жизни и отношения человека с его жизнь и смертью. Однако кое что всё же остаётся как бы за кадром. Дело в том что Сэм показывает жизнь человека как серию личных переживаний, опытов. Позиция вполне справедливая, но, на мой лично взгляд, не полноценная. И проблема этой позиции не решается переключением фокуса внимания с себя на других. Сейчас попробую ещё раз объяснить почему.

Сэм прав в том что погоня за удовольствиями и избегание боли - это заранее проигранная игра. Человек с эпикурейским мировоззрением обречён на полное поражение и он сам это рано или поздно прекрасно осознаёт, приводя себя этим осознанием в глубочайщее уныние. Сколь не гоняйся за личными переживаниями и опытами, яркость их разнообразия рано или поздно исчерпываются и жизнь начинает сводиться к элементарным физиологическим удовольствиям. Эпикуреец - родня той крысе которой в мозг вживили электрод, подключив его к центру наслаждения. Он ищет шанса нажать ещё раз на кнопку чтобы получить сигнал радости и счастья и старательно избегает боли. Досадно для него то что он осознаёт небесконечность этой игры. Счёт удач и бед эпикурейца неумолимо меняется не в его пользу. Чем старше годами тем меньше смысла находит эпикуреец в своём существовании - тем меньше и реже ожидаемые им от жизни радости и тем чаще и сильнее боль.

С этим пониманием приходит желание найти выход из сего затруднительного положения. Здесь на помощь приходит необуддизм, различные Рейки, медитации и так называемые йоги. 

Сэм Харрис

Вся их суть сводится к тому чтобы отвлечь своё внимание от неумолимого приближения встречи с фактом собственной смертности и неминуемого вступления в период жизни когда боль станет уже неизбежной и постоянной частью реальности. Сэм предлагает изменить своё отношение к этому. Он приводит пример того как спортсмен испытывает болевые ощущения, но находит их приятными. Ощущения теже болевые, но отношение иное и тогда вместо расстройства возникает радость. Ну тоесть радоваться предлагает любым ощущениям коль скоро они пока ещё вообще есть. Больно - значит всё ещё жив.

Также предлагается перенести фокус своего внимания с себя на других людей. Это ещё Айнстайн признавал что жизнь для других - единственный способ быть счастливым. И с ним в этом я полностью согласен. Рецепт действительно вот настолько просто - переставай думать о себе, переставай планировать свои собственные личные ощущения, переставай предвидеть боль и удовольствия, думай о других людях, заботься о том что ты делаешь для них - будешь счастливым человеком.

Это великолепное простое и доступное всем решение.

Однако в нём тоже есть опасность. И этой опасности надо тоже суметь избежать. Надо суметь эту опасность увидеть чтобы суметь её избежать.

Дело в том что пристальное наблюдение за другими людьми не обязательно ведёт к счастью этих самых других людей. Вот к примеру садист тоже увлечён не своими личными переживаниями. Он отдаёт всё своё внимание целиком другому человеку и прикладывает все свои усилия к тому чтобы вызвать максимально яркие переживания у другого человека. Это такой его способ избежать переживания своих собственных ощущений, утопить их в яркости наблюдаемых ощущений другого.

И в случае с садистом нам всем понятно что это не выход. Очевидно что такое смещение фокуса с себя на других ничего хорошего не даёт.

Человек заглянул в колыбель Вселенной

Ища разгадку появления мира, ученые делают огромный скачок в прошлое.

Вначале было слово, и слово было «расширение». И это не богохульство, а скорее торжество человеческой любознательности, изобретательности и настойчивости в поисках разгадки природы Вселенной.

Никто не знает, как и откуда появилась Вселенная. Те, кто верит, что её создал Бог, могут и дальше в это верить. Как и те, кто думает, что появление Вселенной - это случайный результат квантовых колебаний в извечном «ничто». Но результаты исследования ранних стадий существования Вселенной с помощью телескопа BICEP -2, расположенного вблизи Южного полюса (где воздух разрежен, а благодаря удаленности от цивилизации отсутствуют шумы), дают представление о том, что произошло вскоре после его зарождения.

17 марта 2014 года ученые объявили, что нашли сигналы первобытных гравитационных волн. Они подтверждают теорию, вокруг которой три десятка лет идут споры у астрофизиков: Вселенная расширилась за триллионную долю триллионной доли триллионной доли секунды после её рождения. Именно тогда она стала неизмеримо большой. Пространство размером с атом, которое зародилось в доинфляцийной Вселенной, после инфляции расширилось примерно до размеров Солнечной системы.

Параллельные вселенные

Физики из США и Австралии попытались объяснить наблюдаемые квантовые эффекты взаимодействием параллельных миров и предложили в своей статье* для журнала Physical Review X теорию, где каждая из вселенных описывается уравнениями классической физики, а эффекты, интерпретируемые нами как квантовые, объясняются влиянием различных миров друг на друга.

____________________

* Работа ученых была опубликована в одном из журналов семейства Physical Review, издаваемого Американским физическим обществом с 1913 года. Дисциплинарная принадлежность каждого журнала определяется буквенным индексом после основного названия. Так, Physical Review A публикует статьи по атомной физике, Physical Review С — по ядерной, Physical Review D — по физике элементарных частиц и гравитации.

____________________

Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность частицы принимать то или иное состояние. Ее можно представить в виде суммы слагаемых (суперпозиции состояний), а сам процесс измерения сводится к извлечению одного из возможных слагаемых.

Отдельного внимания заслуживает позиция наблюдателя. Роль сознания в квантовой механике занимает особое место, и эта область физики содержит больше вопросов, чем ответов.

«Я думаю, что могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику», — заметил как-то американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard Feynman), сформулировавший новый подход к квантовой теории — метод функционального интеграла. Этот подход позволяет учесть все возможные траектории квантовой частицы, а определяющий вклад в интеграл дает классическая траектория.

Ученые предположили наличие у Млечного Пути червоточины

Ученые из Международной школы передовых исследований (Италия) пришли к выводу, что темная материя в центре нашей Галактики может поддерживать червоточину, через которую можно путешествовать.

Червоточина (она же кротовая нора) представляет собой пространственно-временной тоннель, который теоретически может позволить переместиться из одной точки пространства в другую отдаленную или даже, в зависимости от специфики устройства червоточины, путешествовать во времени. Существование червоточин было предсказано Альбертом Эйнштейном в его теории общей относительности. Правда, доказать их существование на практике, а тем более то, что через них действительно можно путешествовать, пока не удалось никому, так что путешествия через червоточины остаются исключительно на долю героев из научной фантастики.

Большинство ученых считает, что вероятность существования таких тоннелей невелика, поскольку для достаточного искривления времени и пространства потребуется огромная масса, например нейтронная звезда. Тем не менее, согласно новому исследованию, с математической точки зрения возможно, чтобы такой тоннель был создан темной материей в центре Млечного Пути. Более того, тоннель может быть размером с нашу галактику и по нему теоретически даже можно путешествовать — примерно как в недавнем фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар». По сути, ученые решили то самое уравнение, над которым работала Мерф, одна из героинь фильма. Правда, сделали это задолго до выхода фильма на экраны. По мнению ученых, их теоретическое исследование должно сподвигнуть астрономов на более направленные поиски червоточин во Вселенной.

Надо заметить, что в последние десятилетия сюжеты научной фантастики все чаще становятся частью нашей жизни. Например, несколько лет назад американское космическое агентство (NASA) объявило о финансировании программы по созданию механизмов с притягивающим лазерным лучом, которые в будущем смогли собирать образцы материала в ходе космических миссий. «Хотя сейчас она появляется только в научной фантастике, в особенности во Вселенной «Звездного пути» (Star Trek), притягивание лазером не является чем-то невообразимым или недостижимым для современных технологий», — заявил руководитель исследования доктор Стайсли.

Время: теории, легенды, эксперименты

Излюбленная тема писателей-фантастов о путешествиях во времени на сегодняшний день выглядит более привычной, чем несколько десятилетий тому назад. Дело в том, что изучение свойств пространства-времени всё чаще наталкивает учёных на мысль, что скачки во времени – дело в принципе осуществимое. Исходя из основ теории относительности, материя обладает свойством «прогибания» пространства, и чем выше плотность материи – тем сильнее деформация.

Привычная нам гравитация – есть не что иное, как такое вот искривление. В таком случае, если пространство кривое, почему бы ему не принять произвольную форму, скажем, наподобие туннелей? С помощью таких туннелей области, которые разделены сотнями тысяч световых лет, могут соединяться между собой. Таким способом могут быть связаны как абсолютно разные вселенные, так и одна вселенная, туннели которой «проникают» в саму себя, но только в другое время и в другой области.

Австрийским математиком К.Геделем при решении уравнений Энштейна была выдвинута интересная концепция об однородности стационарной вселенной, которая вращается как одно целое. По замкнутым траекториям - петлям, содержащимся в ней, можно путешествовать. При такой модели сохраняется возможность возврата как в исходную точку, так и в исходное время. Только вот минимальный срок существования самой петли намного превышает жизненный цикл Вселенной.

Материал, из которого могут быть сложены временные порталы, или как их ещё принято называть «кротовые норы»,  должен обладать уникальными свойствами, но при этом их материя должна сохранять квантовые свойства. Ученые предположили наличие в вакууме неких «виртуальных» частиц.  То есть в абсолютной пустоте постоянно рождаются и исчезают пары частиц, которые современная аппаратура не может обнаружить из-за очень короткого периода их существования. Но при этом «сбежавшие» частицы успевают «наследить» реальными энергетическими импульсами, обладающими необычными свойствами.

Не вдаваясь глубоко в физику отметим, что кротовые норы-трубы с гладкими горловинами как раз могут соединять разные миры. А вот целая серия решений уравнений Энштейна описывает существование двух почти одинаковых пространств, которые соединяются лишь тонким сингулярным «кольцом». Объект, прошедший сквозь такое кольцо, окажется в совершенно другом мире, хотя и очень похожим на свой. Для возврата назад нужно с любой стороны опять пересечь насквозь кольцо.  

Современная физика предсказывает существование интересных объектов, напоминающих сингулярные кольца. Эти объекты получили название космических струн. Согласно теории, струны образовались в юной Вселенной из остывшей сверхплотной материи, претерпевшей затем смену состояний. При малой толщине (в доли микрона), такая струна обладает огромной тяжестью – миллиарды тонн на см.

Ученым Ричарду Готту и Жерару Клеману удалось показать, что несколько струн, движущихся с большими скоростями относительно друг друга, могут составлять комплексы с временными петлями. То есть, при определенной направленности движения в гравитационном поле струн, можно возвратиться к исходной точке прежде, чем улететь из неё.

Изучением «временного» вопроса долгое время занимался профессор Н.А.Козырев.