Загадки квантовой механики.

Раз уж мы замахнулись ни много ни мало на описание мироздания, значит, стоит попытаться объяснить некоторые феномены из квантовой механики. Например, свойства элементарных частиц. Известно, что им присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Однако, в зависимости от обстоятельств, они те или иные свойства либо выставляют напоказ, либо прячут. Рассмотрим эксперимент, показывающий наиболее загадочные свойства элементарных частиц – квантовую суперпозицию. Очень популярно квантовая суперпозиция, суть эксперимента с двумя щелями и некоторые аналогичные эксперименты с источником элементарных частиц описана в [5], [6].

Приведу краткое описание эксперимента и постараюсь сделать это максимально понятно.

Экспериментальная установка состоит из источника электронов, двух щелей, и экрана, на котором наблюдается интерференционная картина. Источник электронов осуществляет эмиссию одиночных электронов (крайне низкая интенсивность). Так как электроны вылетают «штучно», необходимо время, чтобы набрать статистическую картинку распределения попадания электронов на экран. При открытой одной щели мы имеем на экране вполне ожидаемое распределение интенсивности ударов электронов об экран. Оно соответствует кривой Гаусса. Но ситуация кардинально меняется как только мы открываем вторую щель. Мы вдруг начинаем отчетливо видеть, что образуются области, запретные для попадания электронов. Т.е. наличие второй щели запрещает попадание электронов в те части экрана, в которые они попадали при наличии одной щели! Мы наблюдаем интерференционную картинку. Эта картинка сродни той, что мы бы видели при прохождении монохроматического света через те же две щели. Однако, в случае света (когерентных электромагнитных волн) интерференция легко объяснима. В этом случае, по принципу Гюйгенса, ситуация моделируется двумя идентичными источниками (в нашем случае щелями), испускающими синфазно монохроматический свет (электромагнитные волны). При этом чередование светлых и темных полос (интерференционная картинка) совершенно очевидна как результат сложения векторов амплитуд электромагнитной волны.

Электрон – частица, имеющая массу, конечный неразрывный объем. Объяснить в этом случае явление интерференции одиночных электронов обычным образом невозможно. Ничего не остается предположить, кроме того, что электрон начинает интерферировать «сам с собой», будто бы он идет по двум путям, через обе щели одновременно. При этом на экране появляются зоны, запретные для попадания электронов. Современная квантовая физика дает математический аппарат для объяснения и расчета этого феномена. Основой для этого явилась интерпретация Ричарда Фейнмана. Она заключается в том, что «…на отрезке от источника до некоторой [конечной] точки… каждый отдельно взятый электрон на самом деле перемещается по всем возможным траекториям одновременно …» [9]. То есть, летящий электрон проходит одновременно два пути – через обе щели. Для обычного, «бытового» представления это нонсенс. Кстати, основной постулат квантовой суперпозиции примитивно можно выразить так: «…если точечная частица может находиться в одной из двух точек, то она может находиться и «одновременно в обеих точках».

Возникает вполне логичное желание – проследить траекторию полета электрона, чтобы убедиться, через какую щель пролетает электрон (а может быть через обе сразу, но тогда это бы противоречило нашим знаниям о нем). Но как только хотя бы в одну из щелей мы ставим пролетный детектор для электрона, картинка на экране кардинально меняется. Мы видим две полосы с размытыми краями и полное отсутствие интерференции. Зато мы начинаем точно знать, через какую щель пролетел электрон. И он действительно, как показывает детектор, пролетает только через одну из щелей. Т.е. если мы имеем возможность знать траекторию электрона – электрон ведет себя как частица. Если нет возможности узнать траекторию электрона – как волна. Но замечено, что так ведут себя не только электроны, но также атомы и, даже группы атомов. Однако, чем сложнее испускаемые частицы, тем хуже заметна интерференция. С телами видимых и, даже микроскопических размеров, интерференция не проявляется.

Факт регистрации электрона, пролетевшего через одну из щелей и исчезновение интерференционной картинки можно интерпретировать по-разному. Можно предположить, например, что это означает «предчувствие электроном» включенного детектора. Поэтому электрон и пролетает лишь через одну из щелей. Однако, если гипотетически изменить расстояния в этом эксперименте до космических, то такая интерпретация приводит к парадоксу: электрон будет знать заранее, включим ли мы детектор к моменту подлета к нему электрона. Он будет обязан соответственно этому вести себя: как волна, если мы не намерены включать детектор, или стать частицей еще до пролета через щель, даже если детектор включился уже после его пролета. Это странное проведение электрона объясняется отнюдь не его прозорливостью, а тем, что пока мы его не попытались измерить, его истории не существует, она не определена. История электрона формируется благодаря нашим наблюдениям. Подробно и очень популярно об этом можно прочитать у Брайана Грина [10]. Я коснусь этого лишь вкратце. Электрон летит сразу всеми возможными путями. Т.е. как бы существует много вариантов истории. До той поры, пока мы не включили детектор. После этого выбирается лишь один вариант. Т.е. история определилась! Таково предположение о том, что квантовую историю мы творим сами в буквальном смысле. Заметьте, мы не меняем истории. Т.к. никто ее не наблюдал, она была не определена.

Однако мне по душе иное толкование. Оно в чем-то сходно с тем, которое дает П.В. Путенихин [6], но есть некие отличия. Вот этот вариант. Электрон движется сразу всеми возможными путями вплоть до детектора или иного препятствия. Но движется он в ином пространстве, или пространстве иного измерения. В нашем пространстве есть лишь его след. Этим и объясняется, что след его весьма странен: для одного электрона и двух щелей - два маршрута. При достижении любого из этих следов детектора или иного препятствия происходит «конденсация» электрона или, другими словами, его «реализация» в наше пространство. Причем эта реализация происходит либо на препятствии, либо, в этот же момент на втором маршруте. При этом второй маршрут может быть удален от первого на очень значительное расстояние. Например, используя интерферометр Маха-Цандера (описано ниже) теоретически легко осуществить расстояние между маршрутами, например, в световой год. В этом случае информация о «необходимости реализовать электрон» с одного маршрута на другой передается практически мгновенно⁹, а значит, со скоростью, превышающую скорость света. Но это не противоречит законам Нашего Мира, поскольку электрон находится «вне его».

Еще более интересен эксперимент с отложенным выбором, эксперимент с «холостыми фотонами». Но о нем Вы можете прочитать самостоятельно, в одном из источников, например, [10].

Можно рассмотреть иной эксперимент, аналогичный двухщелевому. Это эксперимент на интерферометре Маха-Цандера, описанный Пенроузом. Привожу его, опираясь на [6] и подменяя некоторые понятия, незнакомые неискушенному в физике читателю.

Чтобы понять, каким образом квантовая частица может находиться «в двух местах сразу» независимо от того, как далеко друг от друга расположены эти места, рассмотрим экспериментальную установку (Рис. 1), немного отличающуюся от эксперимента с двумя щелями. Как и прежде, у нас имеется лампа, испускающая монохроматический свет, по одному фотону за раз; но вместо того, чтобы пропускать свет

Рис. 1.

Схема эксперимента на интерферометре Маха-Цандера

через две щели, отразим его от полупосеребренного зеркала, наклоненного к пучку под углом 45 градусов.

После встречи с полупрозрачным зеркалом фотон может отразиться от него в сторону, а может пройти сквозь него и продолжать распространяться в том же направлении, в котором первоначально двигался. Но, как и в двухщелевом эксперименте, фотон «делится» и идет одновременно двумя путями. Причем эти два пути могут быть разнесены на очень большое расстояние. «Представьте себе, … что мы ждём целый год… Каким-то образом фотон оказывается сразу в двух местах, разделённым расстоянием в один световой год!

Есть ли какое-нибудь основание принимать такую картину всерьёз? Разве мы не можем рассматривать фотон просто как некий объект, находящийся с вероятностью 50% в одном месте, и с вероятностью 50% - в другом! Нет, это невозможно! Независимо от того, как долго фотон находился в движении, всегда существует возможность того, что две части фотонного пучка могут быть отражены в обратном направлении и встретиться, в результате чего могут возникнуть интерференционные эффекты, которые не могли бы возникнуть из вероятностных весов двух альтернатив. Предположим, что каждая часть фотонного пучка встречает на своём пути полностью посеребренное зеркало, наклоненное под таким углом, чтобы свести обе части вместе, и что в точке встречи двух частей помещено еще одно полупосеребренное зеркало, наклоненное под таким же углом, как и первое зеркало. Пусть на прямых, вдоль которых распространяются части фотонного пучка, расположены два фотоэлемента (рис.4). Что мы обнаружим? Если бы было справедливо, что фотон следует с вероятностью 50% по одному маршруту и с вероятностью 50% - по другому, то мы обнаружили бы, что оба детектора зафиксировали бы фотон каждый с вероятностью 50%. Однако в действительности происходит нечто иное. Если два альтернативных маршрута в точности равны по длине, то с вероятностью 100% фотон попадет в детектор А, расположенный на прямой, вдоль которой первоначально двигался фотон, и с вероятностью 0 – в любой другой детектор В. Иными словами фотон с достоверностью попадёт в детектор А!

Разумеется, такой эксперимент никогда не был поставлен для расстояний порядка светового года, но сформулированный выше результат не вызывает серьёзных сомнений (у физиков, придерживающихся традиционной квантовой механики!) Эксперименты такого типа в действительности выполнялись для расстояний порядка многих метров или около того, и результаты оказывались в полном согласии с квантово-механическими предсказаниями. Что же теперь можно сказать о реальности существовании фотона между первой и последней встречей с полуотражающим зеркалом? Напрашивается неизбежный вывод, согласно которому фотон должен в некотором смысле действительно пройти оба маршрута сразу! Ибо если бы на пути любого из двух маршрутов был помещён поглощающий экран, то вероятности попадания фотона в детектор А или В оказались бы одинаковыми! Но если открыты оба маршрута (оба одинаковой длины), то фотон может достичь только А. Блокировка одного из маршрутов позволяет фотону достичь детектора В! Если оба маршрута открыты, то фотон каким-то образом «знает», что попадание в детектор В не разрешается, и поэтому он вынужден следовать сразу по двум маршрутам».

Говоря о том, что «фотон каким-то образом знает», П.В. Путенихин не акцентирует внимания на источник таких знаний, это не его задача. Эту тему развивает М. Заречный [1], [2] путем описания многоуровневого сознания. На уровнях (планах) которого существуют различные структуры. Причем высшие планы существуют вне времени. Т.е. причинно-следственные связи там отсутствуют. Это уровни абсолютного знания. Элементарные частицы (в нашем последнем случае это фотоны) связаны с этими уровнями.

Однако, по моему мнению, отсутствие временнОго измерения в пространствах не означает тождественность этих пространств. Я бы мог предложить смоделировать ситуацию, описанную выше, несколько иным образом. Но об этом чуть позже. А сначала сделаем удивительные выводы из описанных нами опытов:

1. Частица (фотон, электрон) может вести себя по-разному: как единая частица (корпускула), проявляя при этом все ее свойства и как волна, при этом одновременно распространяясь по всем возможным траекториям и проявляя волновые свойства, в частности, интерферируя.

2. В качестве «волны» частица может находиться одновременно в нескольких местах, которые могут быть разнесены на сколь угодно большое расстояние.

3. Если существует неопределенность положения частицы, то при попытке определить его (измерить положение частицы), частица моментально меняет свои волновые свойства на корпускулярные. Т.е. «реализуется» в одном из вероятных положений.

4. Процесс «реализации» волны в частицу осуществляется мгновенно, даже когда частица находится одновременно в местах, удаленных одно от другого, например, на расстояние светового года. Т.е. каким-то образом информация о факте измерения положения, проведенное на одном из маршрутов частицы, передается со скоростью, превышающей скорость света (практически мгновенно) на эту же частицу, находящуюся на другом маршруте.

Все изложенное выше не может не натолкнуть на мысль, что здесь не обходится без существования других измерений. Но и в этом случае мы не открыли ничего нового. Достаточно давно уже физики через квантовую механику ищут пути объединения описания всех физических взаимодействий (Гравитационного, Электромагнитного, Сильного и Слабого), известных в природе. Большие надежды возлагаются на Теорию Струн [9]. Эта теория подразумевает наличие десятимерного (девять пространственных и одно временное измерение) пространства. Причем переход в другие измерения свернут на столь микроскопическом уровне, что он недоступен современной технике и вряд ли когда-либо будет доступен. Однако, по моему мнению, количество измерений, используемое в Теории Струн (как, впрочем, и любой другой Теории), не может отражать реальной картины Мироздания. Это лишь издержки существующего понятийного и математического аппарата, загнанного в рамки конкретной теории, а, значит и человеческого мышления. Природа же не знает уравнений и теорий, человек их сам создает, чтобы на основе накопленного опыта и знаний как можно точнее описать Сущий Мир вообще и Физический мир в частности.

Дата добавления: 2015-09-05