Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Квантовый Парадокс. Три парадокса квантовой механики.

25.05.2016 в 06:53

Квантовый Парадокс. Три парадокса квантовой механики.

Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, открытиях ньютона и известных спорах в области квантовой механики.

В истории развития квантовой механики было много попыток опровергнуть какие-либо из ее положений. Парадоксы возникают, когда зарождается новая область знаний. Они полезны, потому что попытки их конструктивного и содержательного объяснения углубляют понимание предмета

Квантовый Парадокс. Три парадокса квантовой механики.. Однако большая часть парадоксов может быть объяснена при детальном рассмотрении и строгом математическом описании.

Парадокс зенона.

Зенон был автором нескольких апорий - рассуждений, которые, на первый взгляд, кажутся логичными, но противоречат здравому смыслу. Наиболее известным парадоксом его авторства является "Ахиллес и Черепаха": Ахиллес пытается догнать черепаху, но ему это не удается, если черепаха начала движение раньше него. Зенон объясняет это следующим образом: изначально между Ахиллесом и черепахой есть расстояние, и к тому моменту, как Ахиллес достиг положения черепахи, она уже сместилась из этой точки. Когда он пришел в следующее положение черепахи, она еще дальше сместилась, и так до бесконечности.

В рамках заданных положений парадокс объясняется так: у бесконечной суммы может быть конечный результат суммирования. Например, если мы добавляем к единице одну вторую, одну четвертую, одну шестнадцатую и так далее, то результатом суммы является конечная величина. В случае с этой апорией Зенона именно так и происходит. Однако этот факт стал понятен только со времен ньютона, когда было сформулировано исчисление бесконечно малых величин, и, благодаря ему, мы понимаем, что расстояние между Ахиллесом и черепахой не может оставаться отличным от нуля.
Другая известная апория звучит следующим образом: летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она покоится, а поскольку она покоится в каждый момент, то покоится она всегда. Мысль Зенона заключается в том, что состояние стрелы должно характеризоваться только своим положением в пространстве.
Разрешение второго парадокса появилось тоже после формулировки ньютоновой механики - стало понятно, что движение тел описывается дифференциальными уравнениями второго порядка, а именно: второй закон ньютона говорит о том, что масса, умноженная на ускорение, равна силе. Ускорение - это скорость изменения скорости, это вторая производная от меняющегося во времени положения частицы. Следовательно, состояние стрелы характеризуется не только ее положением, но и скоростью в данный момент времени. Скорость определяет то, куда стрела сместится в следующий момент времени.

Парадокс эйнштейна - подольского - Розена.

Одной из наиболее мистических концепций квантовой механики является ее вероятностная интерпретация - с ней спорили многие ученые. В частности, Эйнштейн вместе с подольским и Розеном описали эксперимент, который выявляет, с их точки зрения, логическое противоречие в этой интерпретации. Существует много разных формулировок парадокса Эйнштейна - подольского - Розена, но суть их всех одна и та же. Я расскажу об одной из стандартных формулировок, которая, однако, принадлежит не самим Эйнштейну, подольскому и Розену.

Представим систему из двух фотонов, общая поляризация которых равна нулю, при этом оба фотона по отдельности не имеют определенной поляризации. Законы квантовой механики гласят, что в этом случае замкнутая система двух фотонов характеризуется волновой функцией, но при этом состояние каждого из фотонов по отдельности характеризуется не волновой функцией, а матрицей плотности. Говорят, что система двух фотонов описывается чистым состоянием, а каждый из фотонов по отдельности - смешанным.
Итак, фотоны отдалились друг от друга: к примеру, один из них улетел в Лондон, а второй - во Владивосток. Представим, что в Лондоне кто-то произвел измерение поляризации первого фотона. Тогда, в соответствии с законами квантовой механики, состояние первого фотона изменилось - произошла редукция его состояния. Из смешанного состояния он в чистое перешел. Например, с какой-то вероятностью он мог оказаться поляризованным в вертикальной плоскости.
Парадокс заключается в том, что в тот же самый момент, когда первый фотон в Лондоне перешел в чистое состояние, второй фотон во Владивостоке также изменил свое состояние - перешел из смешанного в чистое состояние, ровно с противоположной поляризацией. Это противоречит здравому смыслу, так как означает, что можно на расстоянии воздействовать на состояние второго фотона, тем самым нарушая принцип причинности.
Это наблюдение звучит еще более парадоксально, если учесть, что если в какой-то инерциальной системе отсчета два события одновременны, то обязательно есть инерциальная система отсчета, в которой второе событие происходит раньше первого. То есть редукция состояния фотона во Владивостоке в новой системе отсчета произойдет даже раньше того, как состояние первого фотона в Лондоне будет измерено.

Очень важно подчеркнуть, что эта ситуация отличается от эксперимента с черным и белым шарами, с которым ее часто сравнивают из-за недопонимания. В случае с шарами происходило бы следующее: два шара черного и белого цвета закрыты в коробке, и если разделить коробку пополам так, что в каждой части оказывается по шару, и отвезти одну во Владивосток, а другую в Лондон, то, открыв одну из них, мы сразу понимаем, какой шар во второй. В данном случае не было воздействия на второй шар, так как он с момента разделения коробки пополам имел определенный цвет. Ситуация с фотонами, как должно быть ясно из рассказа, совершенно другая.
Для меня полное разрешение этого парадокса все еще остается загадкой, но следует подчеркнуть, что никакого нарушения причинности в обсуждаемой ситуации не происходит именно из-за вероятностной природы квантовой механики. Дело в том, что, измеряя состояние первого фотона, мы не можем заставить его иметь ту поляризацию, которую нам захочется. В результате нашего измерения в Лондоне фотон может оказаться поляризованным тем или иным образом с какой-то вероятностью, а того, как он окажется поляризованным, мы не можем знать заранее. Соответственно, второй фотон окажется противоположно поляризованным с той же вероятностью. Поэтому для человека, наблюдающего за вторым фотоном во Владивостоке, его переход в чистое состояние с определенной поляризацией не будет являться передачей какого-то сообщения из Лондона. Однако станет ясно, что состояние первого фотона было измерено и система разомкнулась.
Парадокс кота Шредингера.

Шредингер также спорил с вероятностной интерпретацией квантовой механики и в спорах на этот счет придумал следующий мысленный эксперимент: есть коробка, в которую помещены кот и специальный прибор, содержащий небольшое количество радиоактивного вещества, так что в течение часа с какой-то вероятностью может произойти распад одного из атомов этого вещества. Только в том случае, если распад происходит, срабатывает триггер, который запускает ток, разбивающий колбу с ядом, и яд убивает кота. Лишь в том случае, если распада не происходит, кот остается жив.
Парадокс заключается в следующем: квантовая механика утверждает, что до того, как произошло измерение, вы не знаете, распался атом или нет. Соответственно, и атом, и кот пребывают в смешанном состоянии, как пара фотонов в парадоксе Эйнштейна - подольского - Розена. Точнее, если законы квантовой механики распространить на кота, то кот вместе с прибором и атомом составляют замкнутую систему, которая находится в чистом состоянии. При этом каждая из подсистем этой замкнутой системы характеризуется смешанным состоянием. Но что такое смешанное состояние для кота, когда он не жив и не мертв?

Фактически парадокс Шредингера в случае существования смешанного состояния кота показывал бы отсутствие параметра, по которому происходит переход от маленькой квантовой системы (коей является атом) к большой классической (такой как кот. Тем не менее такой параметр есть. Любая система - и классическая, и квантовая - характеризуется действием, и у маленькой квантовой системы действие и его градиенты сравнимы с постоянной планка. Для большой классической системы и действие, и его градиенты намного больше этой постоянной. Например, камень (или луна) летит по определенной траектории не потому, что мы его постоянно измеряем, а потому, что коллективное движение составляющих его частиц описывается действием, градиенты которого и в пространстве, и во времени огромны по сравнению с постоянной планка.
Итак, обсуждаемый парадокс можно решить, если вспомнить, что такое измерение в квантовой механике. Измерение - это воздействие большой классической системы (прибора) на маленькую квантовую (частицу. В данном случае кот и прибор, вместе взятые (да и по отдельности), являются большой классической системой, и измерение состояния радиоактивного атома происходит не в момент раскрытия коробки с котом, а в момент взаимодействия этой системы с частицей, которая с какой-то вероятностью распадется или не распадается. Следовательно, кот умрет или выживет еще до того, как откроется коробка.

Парадоксы квантовой механики. "Парадоксы" квантовой механики

Теперь рассмотрим "парадоксы", лежащие в основе споров между "копенгагенской" и "антикопенгагенский" парадигмами и составляющие ядро философских проблем квантовой механики. Эти парадоксы концентрируются вокруг темы измерения в квантовой механике. Анализируя проблемы, возникающие в связи с процедурами измерения, известный физик В. Гайтлер, следуя положениям "копенгагенской" интерпретации, приходит к заключению, что "появляется наблюдатель как необходимая часть всей структуры, причем наблюдатель со всей полнотой своих возможностей сознательного существа" . Гайтлер утверждает, что в связи с возникновением квантовой механики "нельзя более поддерживать разделение мира на “объективную реальность вне нас” и “нас”, сознающих себя сторонних наблюдателей". Субъект и объект становятся неотделимы друг от друга. "Мы должны быть благодарны Гайтлеру, – говорит К. Поппер, – за то, что он дает самую, по-видимому, четкую формулировку доктрины включения субъекта в физический объект, доктрина, которая в той или иной форме присутствует у Гейзенберга в “физических принципах квантовой теории” и во многих других (в частности, у фон Неймана. – А. Л. ) " .

Парадокс наблюдателя в квантовой физике. 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.

Популярная квантовая механика. 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.

Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физики

В квантовом мире, в мире с очень малой размерностью, размерами – все не так, как в современном макромире. И этот мир элементарных частиц придумали сами ученые. Ввели постулаты, ограничения и закону, по которым этот мир существует. Может быть, пока человек не способен понять этот мир? А не способен по причине того, что научные изыскания, модели, теории завели в некий тупик (или ложный путь)?
Многое то, что детектируют приборы необъяснимо с точки зрения логики простого обывателя. Например, корпускулярно-волновой дуализм, когда частицы могут быть и волной и частицей в зависимости от условий опыта или даже от простого факта наблюдения за этим опытом стороннего наблюдателя. Да, наблюдатель может даже влиять на исход опыта и на то, как поведут себя частицы.
Опыт Юнга - эксперимент, проведённый Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света. Результаты эксперимента были опубликованы в 1803 году.
Я не буду нагромождать пост заумными формулами и текстами, постараюсь показать некоторое как можно проще.
На заре изучения квантового мира были введены постулаты, т.к. по всем классическим законам механики, частицы микромира не должны себя так вести. Самые известные постулаты (школьный курс) – постулаты Бора :
Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиПротиворечия с классической физикой
Здесь немного подробнее поставлены и другие эти вопросы:
Один из них: почему заряды электрона и протона равны (по величине), но масса электрона в 1836 раз меньше массы протона?
Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиМожет быть, мы чего-то не знаем, если такое происходит?
Принцип неопределенности Гейзенберга:
Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиЕсли вкратце:
Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиКвантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиЕсть постулаты и в Специальной теории относительности:
Квантовый Парадокс электрона. Постулаты и парадоксы квантовой физикиТ.е. для того, чтобы физикам хоть что-то объяснить в квантовом мире, пришлось ввести эти допущения, запреты и «мы так решили». Иначе понятно, что там ничего не понятно. Не объясняя, почему именно так – ученые ввели свои запреты и правила, законы по которым должен существовать микромир.
Вот еще один "закон" физики света:
Дифракция света – огибание волной преграды
Вопрос: почему при солнечных затмениях мы видим на поверхности земли темное пятно, тень от Луны? По законам физики, свет должен огибать препятствие-Луну и мы должны видеть не прохождение пятна, а дифракционные кольца от Луны.
Все это можно объяснить, если принять одно допущение – если мир анизотропен, т.е. законы физики и иных земных наук не равны для всех размерностей и участков Вселенной. Вблизи земли они – одни, у Солнца – иные, в микромире – третьи:
Если это не так, то уже давно пора вернуться к моделям эфира и начать с этих канонов. Иначе, все эти постулаты заведут нас в еще больший тупик.

Квантовая механика. Значение квантовой механики

Квантовая механика имеет важное значение для понимания поведения систем в атомных и меньших масштабах расстояний. Если бы физическая природа атома описывалась исключительно классической механикой, то электроны не должны были вращаться вокруг ядра, так как орбитальные электроны должны испускать излучение (вследствие кругового движения) и в конечном итоге сталкиваться с ядром из-за потери энергии на излучение. Такая система не могла объяснить устойчивость атомов. Вместо этого электроны находятся в неопределенных, недетерминистических, размазанных, вероятностных корпускулярно-волновых орбиталях около ядра, вопреки традиционным представлениям классической механики и электромагнетизма.

Первоначально квантовая механика была разработана для лучшего объяснения и описания атома, особенно различий в спектрах света, излучаемых различными изотопами одного и того же химического элемента, а также описания субатомных частиц. Короче говоря, квантово-механическая модель атома оказалась поразительно успешной в той области, где классическая механика и электромагнетизм оказались беспомощны.

Видео Квантовый парадокс

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.

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

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.

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

  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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

Квантовый Парадокс простыми словами. Квантовый парадокс Зенона


Квантовый Парадокс простыми словами. Квантовый парадокс Зенона Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями — парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.
Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».
В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.
В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом — исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра , распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.
Теперь — нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.
Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.
Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.
Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…"
Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете здесь
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».
Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 — exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз — не меняется.
w=1 — exp(-t/NT)^N=1 — exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.
Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции) . Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.
К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это здесь
Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю sheknitrtch за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.