Пересмотр уравнения Шрёдингера может объединить относительность и квантовую механику
Физики недавно предложили новую интерпретацию знаменитого парадокса Шрёдингера с котом, которая может прояснить, как квантовые частицы способны одновременно находиться в нескольких состояниях, в то время как крупные объекты, например, сама Вселенная, такого не демонстрируют.
Относительность Эйнштейна и квантовая механика
Физика исследует базовые законы, управляющие Вселенной, и в этой области особенно выделяются теория относительности Эйнштейна и квантовая механика. Теория относительности, разработанная Эйнштейном в начале 20-го века, радикально изменила наше понимание пространства, времени и гравитации. Она делится на специальную относительность, описывающую объекты, движущиеся с околосветовой скоростью, и общую относительность, интерпретирующую гравитацию как результат искривления пространства и времени массой и энергией.
Квантовая механика, в свою очередь, разъясняет поведение субатомных частиц, таких как электроны и фотоны, и предполагает, что они могут находиться в состояниях суперпозиции — одновременно в различных состояниях. Это противоречит классической физике, где частица находится в одном конкретном состоянии до момента измерения.
Проблема совместимости
Ключевая сложность заключается в попытке объединить квантовую механику и теорию относительности в единое описание реальности. Квантовая механика работает с вероятностями и суперпозициями, тогда как общая относительность использует детерминированные уравнения для описания динамики пространства и времени.
Парадокс кота Шрёдингера иллюстрирует эту несовместимость: по квантовой механике, кот в закрытой коробке одновременно жив и мертв, пока не произойдет наблюдение. Это противоречит классическому взгляду, по которому кот должен быть в одном конкретном состоянии.
Инновационный подход
В новом исследовании физики предложили модификацию уравнения Шрёдингера, предполагающую, что квантовые системы спонтанно и периодически коллапсируют к определенным состояниям, решая проблему бесконечной суперпозиции. Это означает, что квантовые частицы со временем спонтанно "выбирают" конкретное состояние без внешнего наблюдения.
Представьте, что вы смотрите на мир через две разные линзы: линзу квантовой механики, показывающую мир субатомных частиц, и линзу общей относительности, демонстрирующую Вселенную в масштабах больших объектов. Идея модификации уравнения Шрёдингера заключается в том, чтобы найти способ, как эти два взгляда могут сосуществовать, предоставляя более последовательное описание Вселенной.
Это нововведение позволяет квантовым системам переходить от неопределенности к определенности со временем, объясняя, почему макроскопические объекты воспринимаются нами в четко определенных состояниях. Несмотря на то, что исследования продолжаются, это открытие может значительно продвинуть наше понимание фундаментальных принципов Вселенной.
Структура материи 6: уравнение Шрёдингера. Зачем нужна квантовая механика – Виталий Бейлин | Научпоп
Как было составлено волновое уравнение Шрёдингера? Как создание аппарата волновой квантовой механики повлияло на дальнейшее развитие химии, физики твердого тела и электроники? Виталий Бейлин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ, научный сотрудник отдела теоретической физики НИИ Физики ЮФУ рассказывает, какой физический смысл имеет волновая функция в уравнении Шрёдингера и на какие вопросы она отвечает, а также чьи труды повлияли на работу учёного, и какие явления с публикацией его работы смогла объяснить нерелятивистская квантовая механика.
Сознательная вселенная
На этот раз я решил снова обратиться к жанру вольного перевода – или, скорее, пересказа англоязычных статей. И моей жертвой станет работа двоих ученых – когнитивиста Дональда Хоффмана и математика Четана Пракаша «Объекты сознания».
В данном случае пересказ будет сокращенным и особенно вольным, поскольку выпущенная в 2014 году статья довольно длинна и примерно наполовину состоит из сложной математики. Но главный интерес для меня – и, надеюсь, для моих читателей – представляет теоретическая часть, изложенная вполне человеческим языком.
Надо сказать, идеи Хоффмана и Пракаша нельзя назвать уникальными или принципиально новыми. Но, насколько мне известно, впервые их высказывают признанные ученые, принадлежащие к официальной академической науке. И, несомненно, впервые их излагают буквально с математической строгостью.
Все началось с изучения систем восприятия. И, как следует разобравшись с историей вопроса, становится ясно, что вся эта история строится на одном главном предположении: все, что мы воспринимаем, существует и тогда, когда мы этого не воспринимаем. Попросту, вещи остаются собой, даже если их никто не видит.
Это настолько фундаментальное предположение, что оно лежит в основе всей научной мысли, но в особенности оно важно, когда речь заходит о соотношении сознания и тела. В конце концов, когда ученый утверждает, что сознание является функцией мозга, он имеет в виду, что мозг существует, даже если никакое сознание его не воспринимает.
В науке, однако, идут дискуссии на тему, какие именно свойства вещей настолько постоянны. Обычно сходятся на том, что размер, скорость, положение в пространстве точно входят в список, а вот цвет, запах и так далее – нет. Еще Демокрит писал, что теплое и холодное, сладкое и горькое – это условности, а в действительности существуют только атомы и пустота между ними.
Несмотря на согласие среди ученых-материалистов (то есть практически всех ученых), что сознание порождается структурой материи, еще никто и никогда не смог предложить адекватную теорию, как же оно получается и откуда берется. Ни схлопыванием волновой функции, ни неизведанными процессами в нейротрубочках не получается объяснить, как из мертвой несознательной материи возникают субъективные ощущения, воспоминания, отношения – словом, то, из чего состоит личность.
Но вот в чем вопрос. Откуда мы знаем – и с чего мы это вообще взяли – что наше восприятие обязано предоставлять нам точную картину мира? Основано ли на чем-то предположение, что наше впечатление о вещах отражает какие-то их реальные свойства?
На этот вопрос есть ответ. Если мы предполагаем, что восприятие сформировано эволюционным процессом, то его можно исследовать теми же способами, что и другие эволюционные процессы – то есть методом Монте-Карло и генетическими алгоритмами. А значит, мы можем узнать, действительно ли точное и объективное восприятие имеет преимущество в выживании перед всеми остальными.
Может показаться странным, что мы изучаем эволюцию, в то же самое время сомневаясь в том, что вещи существуют, когда их никто не видит. В конце концов, современное представление об эволюции основано на том, что генетическая информация записана в материальных молекулах ДНК.
Но апостол атеизма и эволюционизма Докинз написал в свое время, что сам по себе эволюционный алгоритм очень прост – изменчивость, наследственность, отбор – и не требует вообще никакой определенной физической реализации. Он может действовать на любом материале, где имеются эти три фактора.
Примечание переводчика. Для разнообразия я полностью согласен здесь с Докинзом. Я уже показывал, что, действительно, развитие цивилизации, отдельных технологий и даже обучение самого человека новым навыкам подчиняются тем же самым законам эволюции.
Так вот. Изучая эволюцию на моделях, мы обнаруживаем, что она вовсе не желает следовать нашим предположениям, и более точное восприятие, наоборот, серьезно затрудняет выживание.
Почему так происходит? Есть несколько простых принципов.
Во-первых, получение информации не бесплатно. Мы привыкли думать, что наблюдение не утомительно, но на самом деле оно затрачивает силы, и немалые. Каждый бит информации, полученной извне, приходится оплачивать калориями, а их можно получить только из еды. Значит, преимущество в выживании будет иметь тот, кто при прочих равных тратит на восприятие меньше калорий.
Во-вторых, восприятие отнимает еще и время. А в ситуациях жизни и смерти счет может идти на миллисекунды – буквально сантиметр пространства отделяет везучую газель от обеда гепарда, а этот сантиметр получит та газель, что чуточку раньше заметит опасность и начнет действовать. Значит, преимущество в выживании будет иметь тот, кто, при прочих равных, тратит на восприятие меньше времени.
В-третьих, в выражении «выживает наиболее приспособленный» мы говорим не о том, кто лучше всего приспособлен к своей конкретной экологической нише, а о том, кто лучше приспособлен к меняющимся условиям, то есть менее специализирован. Именно они остаются в живых, если мир изменился очень сильно. Так наши предки – мелкие всеядные теплокровные тварюшки – миллионами лет жили под ногами у динозавров, но после их смерти унаследовали планету. Это значит, что в деле выживания вредны любые крайности, в том числе и чрезмерная точность восприятия.
Есть и еще несколько соображений, которые блистательно подтверждаются на моделях. И все это ведет вот к такому выводу.
Естественный отбор поощряет не истину, а выживание и размножение. Те, кто видит мир таким, какой он есть, будут проигрывать в конкуренции тем, кто может быстро и без особых затрат заметить и оценить то, что важно для выживания: еду, опасность, сексуального партнера, укрытие, пути отступления и так далее.
Иными словами, все это время наука исходила из мысли, что восприятие – зеркало, отражающее мир таким, какой он есть, хотя бы в общих чертах. Но на самом деле правильнее будет сказать, что восприятие – это интерфейс для общения с миром, представляющий его таким, как это удобнее всего для выживания.
Мы уже много десятилетий живем в компьютерную эпоху, и даже ребенок представляет себе, что такое интерфейс. Будь то графические окна и курсоры или командная строка старых терминалов – интерфейс представляет нам то, что нужно знать, в удобной для нас форме, и тщательно скрывает от нас то, как данные выглядят на самом деле.
Он скрывает от нас и истинные причинно-следственные цепочки. Когда нарисованный враг падает после попадания нарисованной пули, нам кажется, что это причина и следствие. Но на самом деле нарисованная пуля не обязана вызывать никаких последствий. Это программа, действия которой мы не видим, просчитывает события и отображает их на экране, и эти реальные события не имеют ничего общего с тем, что мы видим.
Интерфейс не дает нам этого заметить, потому что иначе мы не смогли бы нормально работать. Он успешен не потому, что показывает нам реальность, а именно потому, что прячет ее от нас.
Собственно, физика – в особенности квантовая физика – уже давно утверждает, что реальный мир совершенно не похож на наше восприятие. Атомы состоят в основном из пустоты, элементарные частицы – в действительности кванты неких не вполне понятных полей, и так далее. Но все же она не сомневается в том, что пространство, время и квантованная энергия вполне реальны.
Но для настоящего сомнения нет запретных тем. А значит, мы имеем право задать следующий вопрос. Что если и пространство-время, и расположенные в нем трехмерные объекты – части не реальности, а воспринимаемого нами интерфейса? Что, если в действительности их не существует, а вселенная выглядит совершенно иначе?
Насмешник может сказать что-то вроде: «Если реальность нереальна, иди и подергай за хвост вон ту кобру!». Но и иконки файлов тоже нереальны, а вот манипуляции с ними могут повлечь реальные последствия, которые лучше бы учитывать.
Наш интерфейс рассчитан на выживание, и он предоставляет информацию о том, что важно для выживания. Так что если мы видим агрессивную кобру – это сообщение интерфейса следует принимать очень и очень всерьез. Но мы вовсе не обязаны понимать его буквально.
Итак, мы можем предположить, что все наше восприятие – не более чем интерфейс. Вещи, которые мы способны воспринимать, в действительности не реальны, не существуют вне нашего восприятия и не имеют причинно-следственной силы.
Это, в частности, значит, что сознание никак не может быть результатом деятельности мозга, поскольку и мозг, и составляющие его нейроны тоже не существуют вне восприятия. Они порождены сознанием, а потому не в состоянии породить его.
Но это предположение влечет за собой новые вопросы. Если материя не может служить основанием для теорий, то что может?
Естественный ответ – сознание. Теория объектов должна начаться с теории субъекта.
Сказать проще, чем сделать, особенно учитывая, сколько копий было сломано квантовыми физиками вокруг понятия наблюдателя, без которого не будет копенгагенской интерпретации.
Поэтому имеет смысл пойти простым путем, взяв пример с Алана Тьюринга. Он, как известно, предложил гипотетическую машину, состоящую, по сути, из набора абстракций: состояний, символов и правил перехода. А затем выдвинул тезис, известный как тезис Черча-Тьюринга: на этой условной, виртуальной машине можно вычислить любую функцию, которую в принципе можно вычислить. Тезис этот невозможно доказать, но еще никому не удалось привести опровергающий пример, так что он считается надежным.
Аналогично, чтобы не мучиться с определением субъекта, стоит ввести условную математическую модель, на которой можно запрограммировать все функции и действия сознания.
Эту модель назовем моделью сознающего агента.
Она, как и машина Тьюринга, очень проста. Сознание должно воспринимать, принимать решения и действовать. Поэтому модель состоит из трех модулей (мир, сознательный опыт и намерения) и трех каналов связи между ними: восприятие передает информацию из мира в опыт, воля – из опыта в намерения, действие – из намерений в мир.
Остается только сделать последнее предположение. Мир, из которого сознающий агент получает информацию, состоит исключительно из сознающих агентов, обменивающихся информацией между собой.
Примечание переводчика. Дальше в статье начинается серьезная математика, потому что все вышеперечисленное авторы определяют через условные вероятности и понятие марковости. Поэтому, опуская выкладки, перейду сразу к выводам.
Заранее прошу прощения у тех, кому эти выводы могут показаться неубедительными без тех уравнений, которыми они обоснованы.
Эта модель, конечно, совершенно не похожа на привычный для нас мир. И тем удивительнее то, что в ней, на чисто математической основе, начинают проявляться очень интересные и довольно-таки узнаваемые свойства.
Например, для исследователей сознания одну из главных проблем составляет его единичность.
Сознание всегда одно. Совершенно непонятно, как из мириадов чувственных впечатлений, которые воспринимаются разными органами и обрабатываются независимо разными участками мозга, собирается единственное ощущение «я», которое, собственно, все это и переживает. И совершенно непонятно даже то, как из всех этих впечатлений собирается единственное ощущение предмета.
А в модели сознающих агентов на этот вопрос оказывается поразительный ответ. Любая комбинация сознающих агентов, обменивающихся информацией между собой, будет вести себя, как новый сознающий агент, чья сфера опыта и решений будет достаточно хитрой комбинацией сфер его частей.
Грубо говоря, в мире агентов народ – такая же личность, как и любой из людей, составляющих этот народ. Причем ни один из людей не утрачивает собственной уникальности и сознательности: никто даже не подозревает, что является частью чего-то большего, так же как и это большее не имеет представления, что состоит из тысяч отдельных самостоятельных сознаний.
При этом и опыт, и намерения, и действия такого сложного агента будут намного богаче и разнообразнее, чем у его составных частей.
Но самое интересное – в мире агентов обязательно появятся устойчивые наблюдаемые объекты.
Напомню, для каждого агента мир состоит из сигналов, передаваемых другими агентами. Но эти сигналы будут не случайной разноголосицей – там будут постоянные, циклически повторяемые узоры, волны и последовательности. Это математически неизбежно, так как вытекает из самой природы и устройства сознающих агентов.
Более того – в простых случаях можно вывести уравнение, которое описывает эти волны и последовательности. И оно... в точности, до последнего коэффициента, совпадает с уравнением пси-функции Шредингера, которая, как известно, описывает состояние свободной квантовой частицы.
Повторю то же самое другими словами, чтобы понятнее было, в чем революционность этого открытия.
У нас есть мир, в котором нет ничего, кроме сознающих агентов. Мы это знаем, потому что мы так его определили.
Но сами агенты этого не знают. Для каждого из них вселенная состоит из объективных, наблюдаемых частиц, которые подчиняются уравнениям и законам квантовой физики. То есть для каждого агента мир, в котором он живет, материален и бессознателен.
Конечно, если наш агент всерьез возьмется изучать устройство материи, то обязательно откроет, что его «частицы» больше всего напоминают вибрации чего-то более фундаментального. Он придумает какие-нибудь струны или гравитационные петли и ячейки и объявит, что нашел первооснову бытия.
Но мы-то знаем, что первооснова бытия – сознающие агенты, деятельность которых и порождает эти вибрации.
Понятное дело, что математическая модель ничего сама по себе не доказывает. Она только иллюстрирует идею, представляет ее в наглядном и понятном виде.
Но, на мой взгляд, это прорыв. Никогда раньше ученые не демонстрировали нам, что из предположения о первичности сознания и несуществования материи можно прийти к миру, устроенному в точности как наш и подчиняющемуся тем же законам.
Над этим стоит подумать.
Путин Шрёдингера
2021 год. Валдай. Дуалистический наш президент Владимир Владимирович Путин снова находится сам с собой в противоречии.
Выступая на Валдае, справедливо критикуя американскую идеологию, без зазрения совести, приравнивает современных мейнстримных левых Запада к большевикам, говоря, что нам такого не надо. Те кто знают историю и что из себя представляют современные левые Запада, даже точнее - левые американского разлива, очень должны удивиться как это у него так получилось, что твёрдое равно холодному? Но как-то получилось, вывел таки гуся!
Новые сказки про большевиков. Путин©
Тем кто не знает что из себя представляют в США мейнстримные левые, вот серия хороших постов про них, только надо иметь ввиду, они описаны с либеральной точки зрения и соответственно тоже усыпаны вкраплениями про вот они какие марксисты, но тем не менее, если всю эту шелуху отсеять, то можно вполне информативно увидеть что это за мутанты такие сегодня называют себя левыми:
Что такое интерсекциональность и почему она не нужна (статья discours.io)
Как Айн Рэнд в своей антиутопии предсказала культуру отмены
Wokeism: идеология (статья о философской основе вокизма) + определение терминов woke и SJW
Единство противоположностей: SJW и анархо-капитализм (Михаил Пожарский)
Но вернёмся к нашему президенту. Почему я назвал его дуалистическим?
Прочитав текстовую версию выступления и на всякий случай посмотрев видео, я вспомнил про "не выкинул парт-билет". Как же так Владимирович?
Вдруг данные устарели и всё таки выкинул. Я полез в гугл, чтобы освежить информацию и наткнулся на его высказывания:
2016 год. Форум ОНФ. Ставраполь.
«Вы знаете, я так же, как миллионы советских граждан, 20 с лишним миллионов, был членом компартии СССР и не просто был членом компартии, а почти 20 лет проработал в организации, которая называлась Комитет государственной безопасности СССР, а это организация - наследница ЧК, которую называли вооруженным отрядом партии»
«Я не был таким, знаете, членом партии по необходимости. Не могу сказать, что я был таким уж идейным коммунистом, но я тем не менее относился к этому очень бережно»
«В отличие от многих функционеров, а я не был функционером, с партийной точки зрения я был рядовым членом, я не выбрасывал партийный билет, я не сжигал его»
«Мне очень нравились и до сих пор нравятся коммунистические и социалистические идеи. Если мы посмотрим кодекс строителя коммунизма, который широко тиражировался в Советском Союзе, то он очень напоминает Библию. Это не шутка, это такая выдержка из Библии на самом деле»
https://www.vedomosti.ru/politics/news/2016/01/25/625382-put...
https://www.business-gazeta.ru/article/300214
Правда там же, он снова всю вину возложил на большевиков: за проигрыш в Первой мировой, за развал Союза (мина), за жестокости происходившие в то время. Последнее во многих моментах справедливо (но надо рассматривать всё с разных сторон для полноты понимания), но всех собак вешать на большевиков...
Это я отвлёкся, мне интересно как у него получается поддерживать коммунистические и социалистические идеи, оторвать их от большевиков и большевиков же, прямолинейно, приравнять к вырожденцам современности? Каким образом он тогда причисляет себя к наследнице ЧК, "которую называли вооруженным отрядом партии" (большевиков!) и при этом шельмует этих же большевиков?
Парадокс распространения света
Простой, но интересный момент из физики, чтобы напрячь мозги. Просьба подумать, как бы вы распутали эти противоречия.
Итак, имеем такую ситуацию.
1. Где-то в глубине космоса происходит некое событие, в результате которого появляется 2 (два) фотона света. Возникший луч света (а свет, как мы знаем, всегда распространяется по прямой) оказывается направлен прямо на Землю, которая находится на расстоянии L. Направление луча примем за ось Y. Посередине этого пути один фотон попадает в мерзкие скользкие холодные серые лапы пришельцев и они забирают его на опыты. А другой фотон долетает до Земли и оказывается в тёплых заботливых белых (неполиткорректно!) чёрных руках астрофизика для дальнейшего изучения:
2. Астрофизик начинает листать учебник и находит там такие выражения:
3. Астрофизик подставляет в первое уравнение "y = L" и получает, что напряженность электрического поля в точке L в любой момент времени равна E = E0 * cos (w*t - k*L). Отсюда он делает вывод, что свет распространяется с бесконечной скоростью, поскольку в тот самый момент, когда в далеком космосе появляется фотон, на Земле по изменению напряженности E = E0 * cos (-k*L) уже зафиксируют появление этого фотона. И это изменение напряженности можно даже использовать в хозяйстве, заставляя колебания электромагнитного поля вырабатывать ток в фотоэлементах.
4. Астрофизик обращается в Нобелевский комитет с просьбой выплатить ему энную сумму за доказательство бесконечной скорости распространения света, но там ему неполиткорректно сообщают что он дурак и выкладки его неправильные. "Но почему?!" - недоумевает наш герой. Его просят не верить всему что написано в учебнике и отправляют изучать работы Максвелла и Эйнштейна.
5. Пытливый ум нашего героя вычитывает, что свет движется с определённой скоростью, потому что это следует из уравнений Максвелла:
На этом месте наш астрофизик совсем запутывается, потому что из этих уравнений следует, что свет вовсе не движется по прямой, а одновременно распространяется по осям x, y и z. То есть световая волна является сферической и у неё нет какого-то одного выделенного направления. Соответственно, этот фотон мог быть пойман как на Земле, так и на созвездии Козерога.
6. Коллеги сочувствует тяжкому положению нашего героя и советуют ему почитать что-то про уравнение Шредингера, поскольку поведение фотона света с начала XX века было выведено из-под юрисдикции Максвелла и передано в ведение сумрачной германской науки:
7. "Ну и как отсюда следует, что свет должен двигаться по прямой?" - вопрошает наш герой - "Это же почти то же самое, уравнение опять трёхмерное и фотон точно так же мог быть пойман в созвездии Козерога?"
8. "Нуу", - отвечают ему, - "видишь ли, фотона вообще не существует до тех пор, пока его кто-то не поймал. То есть этот фотон действительно могли поймать в созвездии Козерога, и тогда луч света был бы направлен не к Земле, а к мерзким зелёным козерожцам. Про кота Шредингера слыхал?"
9. Когда бурление в голове нашего героя проходит, он тихо интересуется: "А что если.. что, если бы я поймал этот фотон не в момент времени T = L / c, а чуть позже? Ведь согласно уравнению Шредингера после того как фотон проскочил мимо, вероятность его обнаружения не падает до нуля? А значит скорость света равна c = 299 792 458 м/с лишь с некоторой вероятностью?"
10. Придя домой, наш герой продолжает буйствовать: "А что, если бы мерзкие серые инопланетяне в точке L/2 перехватили мой фотон? Значит в этот момент для меня все эти волновые уравнения перестали бы действовать? Что это вообще за волна такая, если её можно мгновенно погасить по всей Вселенной?"
Ну а что бы вы посоветовали курить нашему герою? И что упущено или напутано в рассуждениях?