Волновая функция

В начале XX века в Германии жил необычный конь по имени Ганс. Его считали гением: он умел считать, различать цвета, определять достоинство монет и даже отвечать на устные и письменные вопросы, отстукивая копытом нужное число раз. Феномен оказался настолько удивительным, что привлек внимание ученых, которые организовали специальное исследование.

Но вот в чем загадка: когда Ганс отвечал на вопросы, его хозяин не вмешивался, а сам конь справлялся с заданиями даже с незнакомыми людьми. Причем в 90% случаев ответы были верными! Мошенничество не обнаружили, но как же тогда объяснить этот феномен?

Выяснилось, что Ганс на самом деле не знал математики и не обладал сверхинтеллектом. Он просто невероятно тонко улавливал малейшие изменения в выражении лиц и позах людей. Когда число стуков копытом достигало правильного ответа, наблюдатели, сами того не осознавая, чуть-чуть меняли свою мимику и жесты, и Ганс это чувствовал. Так был открыт эффект умного Ганса — психологический феномен, доказывающий, что люди (даже когда пытаются не вмешиваться) неосознанно подсказывают правильные ответы.

Но что, если этот эффект не ограничивается только психологией? Что, если наблюдатель меняет не только поведение живых существ, но и саму реальность? Именно к этому вопросу привела нас квантовая механика.

Как наблюдатель влияет на физику?

Издавна людей волновали вопросы: если в лесу падает дерево, но никто этого не слышит, издает ли оно звук? Или: существует ли Луна, пока мы на нее не смотрим? На первый взгляд, такие размышления кажутся чисто философскими, ведь физические процессы должны происходить независимо от нас. Однако квантовая теория внесла неожиданный поворот: оказалось, что сам факт наблюдения может менять ход событий!

Кот Шрёдингера – живой или мертвый?

Один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике – кот Шрёдингера. Представьте: в закрытой коробке сидит кот, рядом с ним — механизм с радиоактивным атомом. Если атом распадется, механизм отравит кота. Если нет — кот останется жив. Самое странное, что по законам квантовой механики, пока коробка закрыта, кот одновременно и жив, и мертв. То есть он находится в суперпозиции двух состояний.

Но как только мы откроем коробку и посмотрим на кота, одно из состояний мгновенно исчезнет, и кот окажется либо живым, либо мертвым. Значит, сам факт наблюдения как будто разрушает эту двойственность. Как это вообще возможно?

Двойная щель: частицы, которые знают, что за ними следят

Еще один странный эксперимент — двойной щелевой эксперимент. Если направить поток электронов через две узкие щели, на экране за ними возникает картина, похожая на интерференцию волн. Это значит, что каждый электрон ведет себя не как частица, а как волна, которая проходит через обе щели одновременно!

Но стоит нам поставить детектор возле одной из щелей и начать наблюдать за электронами, как интерференционная картина исчезает, и электроны начинают вести себя как обычные частицы. Хотя мы ничего не трогаем, сам факт наблюдения меняет их поведение! Получается, что элементарные частицы каким-то образом "узнают", что за ними следят и ведут себя иначе. Как такое возможно?

Как объяснить этот эффект?

Чтобы понять, что здесь происходит, нам понадобятся три ключевых понятия: волновая функция, квантовая запутанность и декогеренция.

Волновая функция и коллапс

Каждая частица описывается волновой функцией, которая указывает все возможные состояния, в которых она может находиться. Пока мы не смотрим, частица существует во всех этих состояниях сразу (то есть в суперпозиции). Но когда мы ее измеряем, суперпозиция исчезает, и частица "выбирает" одно из состояний. Этот процесс называется коллапсом волновой функции.

Квантовая запутанность

Бывает, что две частицы оказываются связаны так, что изменение одной мгновенно влияет на другую, даже если их разделяет огромное расстояние. Это называется квантовой запутанностью. Например, если две частицы запутаны, то, измеряя одну, мы мгновенно узнаем состояние другой, даже если она находится на другом конце Вселенной!

Декогеренция – конец квантовой магии

Когда квантовая система взаимодействует с окружающим миром, ее запутанные состояния разрушаются – это называется декогеренцией. Проще говоря, чем больше частиц вовлечено в процесс, тем сложнее сохранять суперпозицию. Именно поэтому в макромире мы не видим странностей квантовой механики: объекты слишком сильно взаимодействуют друг с другом, и их суперпозиция исчезает.

Многомировая интерпретация: а что, если реальности бесконечно много?

Одно из самых необычных объяснений эффекта наблюдателя предлагает многомировая интерпретация квантовой механики. Она утверждает, что при каждом квантовом событии Вселенная разделяется на несколько параллельных реальностей, в которых происходят все возможные исходы.

Когда вы подбрасываете монету, она выпадает и орлом, и решкой – просто в разных вселенных. Когда открывается коробка с котом Шрёдингера, появляются две версии реальности: в одной кот жив, в другой – мертв. Мы просто случайным образом оказываемся в одной из них, а другие продолжают существовать, но уже без нас.

Звучит как фантастика? Может быть. Но эта интерпретация объясняет, почему наблюдатель перестает видеть суперпозицию – потому что он сам становится частью одной из разветвленных реальностей.

Так кто же управляет квантовой Вселенной?

На первый взгляд, все это похоже на магию: наблюдатель изменяет реальность, частицы "узнают", что за ними следят, а коты оказываются одновременно живыми и мертвыми. Но на самом деле квантовая физика просто показывает нам, что мир устроен сложнее, чем кажется.

Нет, человек не обладает суперспособностями, чтобы управлять судьбой Вселенной, но сам процесс наблюдения – это взаимодействие с миром, которое оставляет след. И этот след может менять ход событий, особенно на квантовом уровне.

Так что, возможно, эффект умного коня Ганса и квантовая механика ближе, чем кажется. Мы, сами того не осознавая, влияем на реальность – как в мире психологии, так и в мире элементарных частиц. И кто знает, какие еще тайны скрывает Вселенная?

Квантовая физика – штука странная. Кажется, что её законы вообще не подчиняются привычной логике, и чем глубже в неё погружаешься, тем больше вопросов возникает. Например, можно ли сделать так, чтобы три поляризационных фильтра пропускали больше света, чем два? Оказывается, можно. Можно ли передавать информацию мгновенно? Нет, но частицы ведут себя так, будто умеют. И, конечно, есть знаменитый кот Шрёдингера, который одновременно и жив, и мёртв. Всё это кажется чем-то фантастическим, но на самом деле это реальные вещи, которые можно проверить экспериментально.

Представьте, что у вас есть две стеклянные пластинки, которые пропускают только свет, поляризованный в одном направлении. Если их расположить перпендикулярно друг другу, то свет через них не пройдёт. Это логично: первая пластинка пропускает свет в одном направлении, а вторая полностью его блокирует. Но если между ними поставить третью пластинку под углом в 45 градусов, то вдруг свет начинает проходить. Получается, что три пластинки задерживают меньше света, чем две. С точки зрения классической логики это звучит странно, но объяснение у этого есть. Центральная пластинка немного изменяет направление поляризации, и в результате часть света всё-таки проходит дальше. Всё становится по-настоящему загадочным, когда вместо обычного света мы пропускаем один единственный фотон. Фотон – это неделимая частица, он не может пройти частично, но почему-то всё равно проскальзывает через три фильтра. Это происходит потому, что он находится в состоянии суперпозиции, то есть сразу в нескольких возможных вариантах одновременно, а его судьба определяется случайным образом.

Квантовая физика началась с очень странной проблемы, которую учёные назвали ультрафиолетовой катастрофой. Долгое время считалось, что нагретые тела излучают свет по понятным законам. Чем выше температура, тем больше излучения в сторону синих и фиолетовых оттенков. Но когда учёные попробовали рассчитать, сколько именно энергии должно выделяться, выяснилось, что теория предсказывает бесконечное количество энергии! Если бы это было правдой, всё вокруг светилось бы ярче Солнца и давно бы испарилось. Решить эту проблему смог Макс Планк, но сделал он это довольно хитро. Сначала он просто подогнал формулу так, чтобы она совпадала с реальными измерениями. А потом понял, что эта формула означает нечто фундаментальное: энергия излучается не плавно, а порциями – квантами. Это стало началом квантовой механики.

Один из ключевых принципов квантовой физики – принцип неопределённости. Он говорит о том, что некоторые свойства частиц нельзя знать одновременно с абсолютной точностью. Например, нельзя точно определить, где именно находится частица и с какой скоростью она движется. Эйнштейну эта идея не нравилась, и он придумал способ, который вроде бы позволял обойти этот запрет. Он предложил представить себе ящик с фотонами, который можно взвешивать. Если фотон вылетает, ящик становится чуть-чуть легче, и, измерив это изменение массы, можно определить его энергию. Одновременно можно замерить и время, когда он вылетел. На первый взгляд, этот эксперимент нарушал принцип неопределённости. Но оказалось, что сам Эйнштейн забыл учесть эффект из своей же теории относительности. Дело в том, что в гравитационном поле время течёт немного по-разному в разных местах, и когда ящик двигается, его ход времени меняется, что добавляет неопределённость. В итоге принцип неопределённости никуда не исчез.

Эйнштейн не сдавался и в 1935 году вместе с коллегами придумал ещё один парадокс. Они предложили мысленный эксперимент с двумя частицами, которые родились одновременно и разлетелись в разные стороны. Если измерить импульс одной из них, то вторая мгновенно оказывается в таком состоянии, чтобы сумма их импульсов совпадала. Казалось, что частицы обмениваются информацией быстрее скорости света, что противоречит законам физики. Эйнштейн предположил, что у частиц должны быть скрытые свойства, которые заранее определяют их поведение. Но спустя несколько десятилетий были проведены эксперименты, которые показали, что никаких скрытых свойств нет, а частицы действительно ведут себя так, будто они связаны, даже если их разделяют километры. Это явление называется квантовой запутанностью.

Самый известный мысленный эксперимент в квантовой механике – это, конечно, кот Шрёдингера. Представьте коробку, в которой есть кот, радиоактивный атом и механизм, который убьёт кота, если атом распадётся. По законам квантовой механики, пока мы не открыли коробку, атом находится в суперпозиции двух состояний – он и распался, и не распался одновременно. А значит, кот одновременно и жив, и мёртв. Как только мы заглянем внутрь, суперпозиция исчезнет, и кот окажется в одном из двух вариантов. Этот парадокс показывает, что сам факт наблюдения может менять реальность. А если добавить в эксперимент ещё одного человека, который стоит за дверью и не знает, заглянули ли мы в коробку, то возникает ещё более сложный вопрос: в каком состоянии кот находится для него? Оказывается, ответ зависит от того, какую интерпретацию квантовой механики мы выберем.

Наука предлагает несколько вариантов объяснения всей этой странности. Одна из идей – многомировая интерпретация, согласно которой Вселенная просто разделяется на две копии: в одной кот жив, в другой мёртв. Мы живём в одной из этих версий и просто осознаём результат. Другая интерпретация говорит, что частицы приобретают определённое состояние только в момент взаимодействия с наблюдателем, но до этого оно не определено. Есть даже идеи, что объективной реальности вообще не существует, а наш мир – это просто статистический расчёт возможных событий.

Несмотря на все эти парадоксы, квантовая механика – это не просто философские размышления, а очень практичная наука. Она лежит в основе множества технологий: компьютеров, лазеров, навигационных систем, медицинского оборудования. Без неё современный мир был бы совершенно другим. Но чем больше мы её изучаем, тем больше вопросов она ставит перед нами. Может ли быть так, что мир устроен не по привычной логике, а по какой-то другой, непонятной нам? Возможно, мы просто пытаемся найти ответы там, где их не существует. Или, наоборот, все эти парадоксы – это не ошибки, а особенности устройства реальности. В любом случае, квантовая физика – это одна из самых захватывающих областей науки, которая продолжает удивлять и ломать представления о мире.

1 часть - https://pikabu.ru/story/giperprostranstvo_mitio_kaku_razbor_...

Для тех кому покажутся слишком упрощёнными объяснения - поймите, если сделать тупо выдержки из статей, от научных работников, никто вообще ничего не поймёт. Чисто научный язык изобилует формулами, набором нужных научных терминов и полностью мёртвым изложением, беспристрастным и без метафор, там сам чёрт ногу сломает. А когда дело касается квантовой физики, о которой идёт речь, так даже классические физики порой путаются, если им не подскажут.

Ну например вот так.

Принцип неопределённости Гейзенберга (или Гайзенберга) в квантовой механике — фундаментальное соображение (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного полей).

Ну? Любители поточнее, как? Зашло?

Думаю что не зашло. :) А то мне тут один кедр редколесный жаловался - мол ты смеешь не приводить ТОЧНЫЕ цитаты из Энциклопедий, а это неправильно!

По теме вопросов - гоняться по комментариям и каждому рассказывать - глупо. Я всё читаю люди, всё фиксирую и выложу ответы на эти задачи, насколько сие возможно.

Просто в комментариях я вам могу ответить уныло, однообразно и что главное - не полно.

Ещё - у меня прям сразу появились недоброжелатели, ещё появились антинаучные шизофреники. Ну да что ж поделать - такие везде есть.

____________________________________________________

Принцип Мультивселенной.

Есть такой умный умный дядя - Линде - русский физик, по сути гений, профессор.

Он придумал и развил, основываясь строго на Общей теории относительности и квантовой физике, теорию Инфляционной вселенной.

Проще говоря - он доказал формулами и логикой, что Вселенная в момент Большого взрыва, расширялась со скоростью, значительно выше скорости света. Причём расширилась она с размера субатомной частицы за одну триллионную долю секунды и сразу в 1050 раз. Что вообще противоречит закону не превышения скорости света. С одной поправкой - в Вакууме можно.

При этом по сути было понято следующее - если был такой Вакуум, в котором пусть ненадолго, но можно лететь намного выше скорости света, то этот Вакуум явно не был трёхмерным. Потому что трёхмерная - это наша Вселенная, наше пространство-время. И в нашем пространстве физически невозможно летать со скоростью, быстрее скорости света.

Следом встали вопросы и на них не нашлось даже сегодня точных ответов. Теорий, как то объясняющих причину и возможность такого - больше 50-ти.

Есть ряд наиболее крепких, логичных и соответствующих именно физическим законам и теории относительности.

Сам Линде предложил следующее - вселенная расширяется теперь всё время, и расширялась как минимум очень давно-давно. И мы - лишь Почка, Побег, взрыв из части иной Вселенной.

Как представить? Вообразите гигантское колышущееся горячее покрывало, но проще говоря нашу вселенную. А теперь Опа - вздувается в одном из её участков Пузырь и затем взрыв-инфляция - новая Вселенная. Покрывало растёт дальше и дальше, бесконечно.

Правда для начала такого взрыва нужно.

1 - Что то стартовое, что то из абсолютного пустого Вакуума, без единой простой частицы, какая то странная, не понимаемая на данном этапе науки частица-кварк и так далее.

2 - Что то ещё. :) И никто не знает что. Ищут.

Инфляционное начало Вселенной нашей уже доказанный научный факт. Проведено исследование - Эксперимент BICEP2. Он изучил реликтовое излучение - это остаточные от взрыва Большого лучи, они имеют очень слабый сигнал, но они Везде в нашей Вселенной и полностью по сути заполняют её, как бесконечно длинное и далёкое эхо от взрыва.

Затем учёные подумали и додумались до по сути нового типа квантовой физики - струнной теории и 10 - 11 измерений. Потому что для таких знаете ли извратов, что бы расширятся там быстрее света, что бы новые вселенные появлялись из имеющейся, простая физика не может додуматься никак. Однако фонит, светится древность в специальных приборах и говорит сама за себя.

Что такое струнная теория? Всё состоит из мельчайший струн, предполагает она. Струны вибрируют и создают те или иные колебания. струны скорее всего спрятаны в кварках. Точно узнать пока невозможно, не хватает мощности ускорителей.

НО. Есть ряд вещей, указующих на правильность данного направления.

Первым стукнулся о нелогичность "прямой логики" - Ньютон. Рассчитал механику Небесную. А она всё равно чего то того, не ТОГО. Оказалось что она не того из за тёмной материи, но погрешность в пределах Солнечной системы крайне мала и Ньютон конечно тогда не мог это отклонение заметить. Но сегодня, когда Кассини пробороздила половину Солнечной системы, при её манёврах тёмная материя и её влияние учитывались учёными и при этом дополнительно фиксировались и изучались.

Плюс Ньютон думал, что гравитация - распространяется мгновенно везде и на любое расстояние. Ан нет, Гравитация не летает быстрее скорости света, проще говоря.

Затем был Эйнштейн, была его теория относительности и попутно был дядя Гейзенберг и другой дядя -  Шредингер.

Один сказал, ну точнее додумался - электрон не бывает в одной точке, пока не посмотришь-измеришь его. Он как бы облако создаёт вокруг того объекта, вокруг которого сам вращается. И когда электрон просто летит дуром куда то - такой же он загадочный. Главное свойство электрона, он же Электричество - он как минимум в двух местах одновременно, пока его не пофиксишь, не пронаблюдаешь. Стеснительный что ли... Никто не знает почему так.

Но это факт, поэтому и работает всё наше электрическое, потому что электрон такой вот больной на голову.

Так вот, Гейзенбрег и его друг Борн придумали, что электрон это явно не частица, когда на него не посмотрели ещё - а волна. О как. А когда пофиксили - он точка-частица и вполне себе имеет место в пространстве, строго определяемое приборами.

Гейзенберг так определил - есть как минимум ДВЕ Вероятности где может быть электрон и та из них, какая наиболее логична - та и будет скорее всего точкой. собственно поэтому дома не улетают, ворота не убегают в преисподнюю - потому что это не логично. Вообще вся теория относительности проистекает именно из логики. Что не логично, то не возможно. А верующим лишний повод маслом облиться и вздохнуть блаженно - ДА, это похоже на разумность, при сохранении таки ВЫБОРА.

Это всё в итоге - квантовая механика. Если кому нужно знать, кто не верит, что она права - оглядитесь и узрите атомные бомбы. Это то, с чего по сути началась реальная, рабочая часть науки о квантах. Мягко говоря это наглядное доказательство того, что квантовая механика реальна и её законы верны. Все разработки, связанные с манипулированием атомами, нейтронами, частицами наподобие кварков, электронов, бозонов, в том числе и Хиггса - все эти процессы подчиняются Квантовой физике, квантовой механике. Поэтому! Сколь бы странными не казались выводы и законы квантового мира - они верны.

Дальше думал Шрёдингер. И додумался до кота и уравнения этой самой волны, которая, пока её не оглядишь, где угодно может быть, ну или как минимум в двух местах сразу.

И придумал гипотетический эксперимент, с бедным котом.

Ловим бедного кошака, сажаем в коробку, в неё же помещаем ещё не распавшееся ядро урана или любого другого радиоактивного элемента и замыкаем на него ёмкость с ядом. Распалось ядро - коты конец, не распалось - живёт. На всё - час.

Через час - жив ли кот?

Мы не смотрели на ядро, не ИЗМЕРЯЛИ его никак, ящик гипотетически не промеряемый ничем. Жив котяра?

Ответ - то ли да, то ли нет.:)

Выбор стихии, природы как он есть.

Из всего сложенного, вытекла теория, как бы дополнившая заранее теорию Линде  - о почковании вселенной.

Теория о квантовой пене, которая является по сути наименьшим размером в нашем мире, при этом в этой ячейке бурлит первородный Хаос, ну физики его называют грамотнее - Абсолютный Вакуум. И согласно принципу неопределённости Гейзенберга ( который подтверждается формулами и всеми возможными экспериментами ! ) - в этой ячейке Хаос всё время побулькивает, колышется и что угодно может в нём произойти - то ли чёрная дырочка, размером с со струну планковскую, то ли туда попадёт скажем частица антиматерии или отрицательной материи или тёмной энергии, или ещё чего и произойдёт Большой Взрыв. Вероятность есть. Правда нужно какое то странное вещество, непонятное совсем и что бы кто то пронаблюдал... Потому что пока не понаблюдаешь - правильно, результат не предсказуем никак. Но после наблюдения, особенно ЛОГИЧНОГО - результат почти стопроцентно будет логичным.

Поместили нужно вещество для Большого взрыва и создания Вселенной? Наблюдаем - по логике должно рвануть именно так - и получается взрыв. Это я грубо объясняю. Но суть такая.

И при этом выделю - благодаря этому выбору, этой неопределённости Гейзенберга, электроны умеют переносить ТАК как переносят, информацию и электричество. Все наше абсолютно реальные токи и биты с байтами. Это не просто блажь, это ещё и постулатный закон, закон позволяющий информации переносится, делающий информацию предметом ОБМЕНА оной.

Отсюда следует второй странный вывод - волна, пока не пронаблюдали оную, она везде может быть в как минимум нашей Вселенной. И теоретически электрон, после наблюдения, может оказаться.... за три миллиарда световых лет. Где то совсем далеко и блин, да где угодно!

Почему по всей вселенной? Потому что, скорее всего теория права на счёт планковских расстояний, самый малых и значит насчёт струн имеющих эти размерчики. А если струны есть, то Струны - это по сути волны. А если волны, то они зародились как минимум в момент Большого взрыва и инфляции последующей и значит протянулись Волнами по всей Вселенной, абсолютно везде в нашем пространстве, вплоть до границ нашего пространства, а они конечно есть, эти границы. Но - возможно и дальше и так ли это, пока не ясно. Ясно, что волны в нашей Вселенной везде имеются.

В итоге мы все и волна и точка. НО мы по сути всегда точка, когда дело касается сложных объектов, особенно если они живые. Это ведь логично, наиболее просто и понятно - по другому, согласно логике и быть не может. Ну разве может человек идя по улице, вдруг шагнуть в Сверхновую? Однако при этом есть вероятность, что мы идя по улице, можем в Андромеду следующим шагом себя запулить, то ли на планету, то ли прям к тамошней звезде или туманности и тут же помереть.

Однако сие совсем не логично и подобный Выбор Мироздания почти, почти, почти невозможен. Почти... Об этом "почти" тоже стоит помнить. Ибо вероятность таки есть.

И это, не забываем про электрон - который вот прямо сейчас то ли есть там, то ли есть сям, то ли вон тама или туточки. И пока его не пофиксил ты, человечек, он есть в нескольких местах.

Гипотетическая квантовая пена.

Пока думаю довольно. Следом надо будет "разгрести" ответы на прошлые вопросы и выложить и уже следом, буду третью часть делать.