Парадоксы квантовой физики. Информационный парадокс черных дыр?

Парадоксы квантовой физики. Информационный парадокс черных дыр?

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов
. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят "Информация", они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово - волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время. Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что. Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и "Титаник", и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

Внимание! Только в том случае, если бы вы смогли распутать черную дыру, вы бы получили квантовую информацию, описывающую все, что употребила черная дыра. Во всяком случае так было в старые добрые дни.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Парадоксы физики. Парадокс - это... Парадоксы физики. Теория парадоксов

Начиная с времён древности, человек пытался понять окружающий мир и своё место в нем. Используя логическое мышление, пытливый ум человеческого существа пытался найти суть и взаимосвязь происходящих событий и явлений. Современное знание человечества - это результат почти десяти тысячелетий кропотливого анализа всего того, с чем сталкивался исследователь окружающего мира.

Что такое парадокс?

Со временем открывались знания, предоставляющие более полное понимание проистекающих событий или явлений. Однако, несмотря на это, существуют исключения, когда что-то происходит, но не находит логического объяснения. В современном мире подобное явление наука относит к парадоксам. В переводе с греческого языка "парадокс" (παράδοξος) - это неожиданный, странный.

Это определение возникло достаточно давно, на заре развития нашей цивилизации. Современная наука говорит о том, что парадокс - это ситуация или событие, для которых характерно чёткое проявление в реальности и полное отсутствие какого-либо логического пояснения полученных результатов.

Возникшие парадоксы всегда будоражили и интриговали ум человека своими противоречиями и неясностью. Несмотря на отсутствие пояснения, человек пытается найти и решить возникшую перед ним задачу. Со временем некоторые парадоксы потеряли статус необъяснимых и перешли в чёткое логическое поле понимания. Далее мы коснёмся некоторых, пока ещё непонятных на сегодня «тёмных» уголков знания. Надеемся, что со временем нам станет ясно, что за этим кроется и каковы природа и свойства происходящего явления.

Парадоксы физики

Физика – наука, которая богата парадоксами. Они обнаружены в различных направлениях науки: термодинамике, гидродинамике, квантовой механике. Приведём примеры некоторых из них доступным читателю стилем изложения.

1. Парадокс Архимеда: огромное судно может плавать в нескольких литрах воды.
2. Парадокс чайного листа: после перемешивания чая все чаинки собираются в центре чашки, что противоречит действию центробежной силы. Под её действием они должны перемещаться к стенкам. Но такого не происходит
3. Парадокс Млембы: горячая вода при определённых условиях может замёрзнуть быстрее, чем холодная.
4. Парадокс Даламбера: тело шаровидной формы не получает сопротивления при движении в идеальной жидкости.
5. Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена: далёкие друг от друга события имеют взаимовлияние.
6. Кот Шрёдингера: квантовый парадокс. Кот находится в двух состояниях (ни жив, ни мёртв) до тех пор, пока мы на него не посмотрим.

   

7. Исчезновение информации в чёрной дыре: информация уничтожается при попадании в чёрную дыру.
8. Парадокс происхождения: при путешествии во времени возникает вопрос о том, что первоначально, - объекты или информация.

Существуют и другие, весьма загадочные парадоксы физики.

Где ещё могут наблюдаются парадоксы?

Большое количество «тёмного» знания существует в различных сферах нашей жизни. Его можно обнаружить в логике, математике и статистике, геометрии, химии. Кроме этого, существуют философские, экономические, юридические, психофизические парадоксы.

С появлением понимания возможности перемещения во времени в любом направлении (современная наука теоретически подтверждает такую возможность) лавиной хлынули странные заключения, связанные с такими путешествиями. К примеру, всем известный парадокс дедушки. Он гласит о том, что если вы вернётесь в прошлое и убьёте своего дедушку, то не родитесь. Соответственно, вы не можете убить своего дедушку.

Квантовая физика - царство парадоксов

С появлением нового направления в физике количество парадоксов значительно возросло. По мнению учёных, в неё можно либо верить, либо не понимать. Квантовая физика не поддерживает существующие известные нам законы и состоит из сплошных парадоксов, противоречащих нашему здравому смыслу. К примеру, одна частица может воздействовать на другую независимо от расстояния (квантовая запутанность). Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена включает в себя не только явление взаимозависимости состояния частиц, но и невозможность одновременного измерения положения и состояния элементарной частицы.

Одним словом, квантовая физика считается королевой царства непонятного.

«Логика без логики»

Где же ещё происходят странные события и явления? Давайте окунёмся в математику и её теорию вероятности. Весьма известным является парадокс Монти Холла. Впервые он был озвучен в 1990 году.

Своё название получил в честь телеведущего одного игрового шоу, где игрокам предоставлялся выбор двери, за которой скрывается приз.

Если описывать простыми словами, то ситуация такова: когда игрок меняет свой выбор после предложения ведущего, меняется ход дальнейших событий. Хотя, по теории вероятности, результат должен иметь равнозначность шансов. Для более полного понимания посмотрите на схему, отображающую результаты выбора игрока и их взаимосвязь.

Как правило, парадокс – это неожиданный результат, который нельзя объяснить логическим путём. Парадокс Холла является далеко не единственным примером с обнаруженными логическими противоречиями из области теории вероятности. Найдено более десятка необъяснимых и странных явлений. К примеру, два независимых события окажутся условно зависимыми, если одно из них не свершится. Это явление получило название парадокс Берксона.

Одним словом, парадокс - это несоответствие полученного и ожидаемого результата.

Возможная природа возникновения странных событий: теория парадоксов

Научный мир и сегодня продолжает разбираться с природой и сутью возникновения подобных явлений. Существует несколько предположений, которые дают возможность существования «тёмного» знания в различных сферах информации.

• По более простой и доступной версии они возникают из-за неполного знания механизмов или алгоритмов природы, или же логического фундамента мышления.
• По другой версии, это применяемый способ построения анализа не является правильным, но на данный момент он вполне приемлем. Если говорить простыми словами, то мы неправильно пользуемся логическим мышлением, но на сегодня этот стиль вполне применим для человечества. Как показывает ход развития цивилизации, именно так происходило в прошлом, но подобные изменения протекают незаметно и достаточно медленно.
• Существует иная гипотеза, поясняющая причину возникновения парадоксов. Она гласит, что если мы сталкиваемся с парадоксами, то это говорит о предопределённости будущего.

Пояснение таково: если некоторое явление предопределено в будущем, то человек не может изменить или повлиять на него, независимо от своих знаний и представлений. По причине этого в некоторых случаях возникают события, результат которых противоречит логическому пониманию.

Заключение

Мы не можем чётко сказать, какова реальная причина возникновения столь странных событий или явлений. Однако можем точно утверждать, что парадокс – это «двигатель» познания. Сталкиваясь с неожиданными результатами, многие учёные и исследователи пускаются в долгий и сложный путь в поисках истины этого мира и своего места в нем.

Квантовая физика. Что такое квантовая физика и квантовая механика?

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров : в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой — шар. Но в микромире (если вместо шара — атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве . В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком»  .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном ( фотон, Википедия ) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия) , надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

Кстати, статью можно читать, как сказку, вместе с детьми. Они ещё не утратили наивную чистоту восприятия окружающего мира и часто могут понять физику, особенно квантовую, лучше взрослых.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео . В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.

Квантовый парадокс. Квантовый эффект Зенона

Ква́нтовый эффе́кт Зено́на (квантовый парадокс Зенона) — метрологический парадокс квантовой механики , заключающийся в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы с дискретнымпрямо зависит от частоты событий измерения её состояния. В предельном случае нестабильная частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина "суперпозиции" в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Видео Парадоксы квантовой физики (рассказывает физик Марцис

Квантовый парадокс наблюдателя. Пять парадоксов квантовой физики или как наблюдатель формирует систему

1. Пустота: Если увеличить ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находится на расстоянии 30 километров, а между ними — ничего!
2. Волночастица: Состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и ненаблюдаемый электрон ведет себя как волна (поле вероятностей). Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он схлопывается в частицу (твердый объект, чье положение можно локализировать).
3. Квантовый скачок. Уходя со своей орбиты атомного ядра электрон движется не так, как обычные объекты, — он передвигается мгновенно. Т.е. он исчезает с одной орбиты и появляется на другой. Точно определить где возникнет электрон или когда он совершит скачок невозможно, максимум что можно сделать, это обозначить вероятность нового местоположения электрона.
4. Принцип неопределенности Гейзенберга. Невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредотачиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределенным становится другой.
5. Теорема Белла. Все на свете нелокально, элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства. Т.е.: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже _мгновенно_ изменится, чтобы прийти в такое же состояние.
- Вопрос в тему: как вы думаете, из чего сделаны наши мысли?
Эксперимент с Генератором Случайных Событий (ГСС)
Один эксперимент со случайными числами проводили за последние четыре десятилетия сотни раз. В нем используется генератор, создающий случайный поток битов (нулей и единиц), как если бы мы бросали монетку. Есть кнопка, при нажатии которой ГСС продуцирует две сотни бит.
Какого-нибудь человека сажают нажимать эту кнопку и просят попытаться сделать так, чтобы машина выдавала больше единиц, чем нулей. Существуют отчеты о сотнях экспериментов, когда эти попытки дают результат. Анализ того, что это не случайно (т.е. что ГСС не случайно выдают результаты, соответствующие намерению экспериментатора) — пятьдесят тысяч против одного.
Цитаты из книги «Что мы вообще знаем»,
Уильям Арнц, Бетси Чейс, Марк Висенте.

Квантовая запутанность. Теорема Белла. Спор разрешён?

Джон Клаузер, будучи ещё аспирантом Колумбийского университета, в 1967 отыскал забытую работу ирландского физика Джона Белла. Это была сенсация: оказывается Беллу удалось вывести из тупика спор Бора и Энштейна . Он предложил экспериментально проверить обе гипотезы. Для этого он предложил построить машину, которая бы создавала и сравнивала много пар запутанных частиц. Джон Клаузер принялся разрабатывать такую машину. Его машина могла создавать тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по разным параметрам. Результаты экспериментов доказывали правоту Бора.

А вскоре французский физик Ален Аспе провёл опыты, один из которых касался самой сути спора между Энштейном и Бором. В этом опыте измерение одной частицы могло прямо повлиять на  другую только в случае, если сигнал от 1-й ко 2-й прошёл бы со скоростью, превышающей скорость света. Но сам Энштейн доказал, что это невозможно. Оставалось только одно объяснение – необъяснимая, сверхъестественная связь между частицами.

Результаты опытов доказали, что теоретическое предположение квантовой механики – верно. Квантовая запутанность – это реальность ( ). Квантовые частицы могут быть связанными несмотря на огромные расстояния. Измерение состояния одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от нёё 2-й частицы так, как если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественная связь на расстоянии происходит в действительности.