Что такое суперпозиция в квантовой физике

Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания

Изучая многочисленные концепции сознания, вы рано или поздно наткнетесь на теорию выдающегося физика из Оксфордского университета Роджера Пенроуза, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу. Об основных положениях этой смелой (или безумной?) гипотезы на сайте журнала Nautilus рассказывает научный журналист Стив Полсон.

Никто точно не знает, как относиться к этой теории, разработанной Пенроузом совместно с анестезиологом Стюартом Хамероффом, но большинство специалистов рассуждают примерно так: теория почти наверняка ошибочна, но поскольку Пенроуз — гений («Один из очень немногих людей, которых я без оговорок могу назвать гениальными», — сказал физик Ли Смолин), с выводами лучше не спешить.

Пенроуз несколько десятилетий назад прославился тем, что:

• внес вклад в общую теорию относительности;
• совместно со Стивеном Хокингом развивал теорию черных дыри гравитационной сингулярности, обладающей бесконечной плотностью точкой в пространстве-времени, из которой, возможно, образовалась Вселенная;
• разработал теорию твисторов, предлагающую новый взгляд на связь квантовой механики с пространством-временем;
• создал асимметричную «мозаику Пенроуза», которая положила начало новым направлениям в математике и кристаллографии.

Круг интересов Пенроуза невероятно широк. В этом можно убедиться, прочитав его книгу «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной». Это объемный, 500-страничный труд, в котором Пенроуз критикует некоторые из самых популярных теорий в физике — от дополнительных измерений в теории струн до инфляции Вселенной на ранней стадии Большого взрыва.

Пенроуз в целом не возражает против репутации «диссидента», но не согласен с такой оценкой своей работы в области физики. Его критики придерживаются иного мнения и не понимают, почему он продолжает заниматься теорией, не подкрепленной достаточными доказательствами.

Квантовая механика и мозг — какая связь?

Большинство ученых считают, что квантовая механика не имеет никакого отношения к тому, как работает наш мозг. Именно поэтому теория Пенроуза привлекла всеобщее внимание.

Эксперты в области ИИ уже несколько десятилетий говорят о компьютерном мозге, но, несмотря на прогресс в нейробиологии, мы так и не продвинулись в решении психофизиологической проблемы. Даже если бы нам удалось составить детальную карту нейронов, синапсов и нейромедиаторов в человеческом мозге — что было бы одним из величайших достижений в истории науки, — мы вряд ли смогли бы понять, каким образом в этом полуторакилограммовом органе возникают мысли и чувства.

Все современные теории сознания кажутся незавершенными. Философ Дэвид Чалмерс считает, что сознание — это свойство природы и оно существует вне известных нам законов физики. Другие — так называемые мистики — утверждают, что наука никогда не сможет объяснить субъективный опыт.

Пенроуз идет дальше. Его теория гласит, что, поскольку сознание лежит за пределами понимания современной нейробиологии и физики, «нам нужно в корне поменять свое представление о физическом мире, чтобы в нем нашлось место сознанию». «Здесь на помощь приходит квантовая механика», — сказал Пенроуз в одном из интервью.

В квантовом компьютере кубиты информации могут одновременно иметь значения и 0, и 1. Существование частицы в двух взаимоисключающих состояниях называется квантовой когерентностью (суперпозицией) .

Хамерофф выдвинул гипотезу о том, что квантовая когерентность имеет место в микротрубочках — белковых внутриклеточных структурах, входящих в состав цитоскелета. Микротрубочки представляют собой полые цилиндры и обусловливают форму и движение клетки, а также ее деление. По мнению Хамероффа, микротрубочки с их симметрией и решетчатым строением — это именно тот носитель квантового сознания, в котором нуждается теория Пенроуза.

Однако для возникновения сознания нужно нечто большее, чем просто череда случайных моментов квантовой когерентности. Этот процесс должен быть структурированным, или «оркестрованным». Согласно теории оркестрованной объектной редукции (Orch-OR) Хамероффа — Пенроуза , микротрубочки обусловливают сознание благодаря своей способности хранить и обрабатывать информацию и воспоминания.

Кто критикует Пенроуза

Большинство ученых считают, что мозг слишком теплый и влажный, а квантовая когерентность возможна лишь в изолированной холодной среде.

Самый известный критик теории Пенроуза — Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, который подсчитал, что квантовые эффекты внутри микротрубочек могли бы продлиться не более 100 квадриллионных долей секунды.

«Если представить, что мои мысли — результат квантовых процессов, они должны возникать до того, как наступит квантовая декогорентность, то есть я должен думать со скоростью 10 000 000 000 000 мыслей в секунду. Возможно, Роджер Пенроуз способен мыслить так быстро, но не я», — пишет Тегмарк в книге «Наша математическая Вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности» (2014).

Даже бывший коллега Пенроуза Стивен Хокинг скептически относился к его теории: «Мне не по себе, когда физики-теоретики начинают рассуждать о сознании. Кажется, что вся теория Пенроуза основана на том, что раз нам почти ничего не известно ни о сознании, ни о квантовой гравитации, то эти два явления должны быть взаимосвязаны».

Источники вдохновения Пенроуза

В 2016 году Пенроуз выступил на однодневной конференции в Люцерне, посвященной науке о сознании. Среди приглашенных также были нейробиолог Кристоф Кох, буддийский монах Матьё Рикар, автор «Дао физики» Фритьоф Капра и даже эксперт по аяуаске.

Пенроуз установил на сцене два проектора и беспрестанно метался между ними, демонстрируя слайды со своими записями вперемешку с изображениями нейронов и микротрубочек, Пизанской башни, астронавта в открытом космосе и Русалочки — и всё это для того, чтобы объяснить свою теорию сознания.

Был на конференции и Хамерофф, который обычно играет роль верного пса Пенроуза: не только превозносит гений сэра Роджера, но и помогает ему в решении практических вопросов. Иногда Хамерофф становится свирепым бульдогом (в разгар дискуссии он терзал Коха вопросами о функционировании мозга).

В марте 2017-го Пенроуз рассказал, что интерес к проблеме сознания возник у него во время учебы в Кембридже, когда он открыл для себя теорему Гёделя о неполноте , согласно которой некоторые утверждения в математике верны, хоть и недоказуемы.

Еще одним источником вдохновения для него были лекции по квантовой механике известного физика Поля Дирака . Как и многим ученым, Пенроузу не давала покоя необычность квантовой теории:

«Как наглядно показал Шредингер на примере своего бедного кота, который был жив и мертв одновременно, его собственное уравнение не было истиной в последней инстанции».

Пенроуз пришел к выводу, что в квантовой механике что-то не сходится.

Но какое отношение всё это имеет к сознанию?

«Многие люди просто не в состоянии уследить за ходом моей мысли, — говорит Пенроуз и заводит речь о том, почему компьютеры со всей своей грубой вычислительной мощью не понимают, что делают. — Я утверждаю, что функционирование мозга описывается не только законами квантовой механики, но и исключениями из них. Мы должны преодолеть квантовую механику и создать совершенно новую науку».

По словам Пенроуза, он сел за написание своей первой книги о сознании «Новый ум короля» (1989), услышав на радио BBC интервью с Марвином Минским, одним из пионеров в области искусственного интеллекта, известным своим утверждением, что человеческий мозг — это «компьютер из мяса». Убежденный, что машине не под силу имитировать мышление человека, Пенроуз посчитал необходимым отреагировать на это заявление.

Минский, который умер четыре года назад, был полной противоположностью Пенроуза.

«Я хорошо понимаю, как работает компьютер, хоть и не очень хорошо представляю себе, как работает транзистор», — сказал он однажды.

Почему сознание — это проблема?

Минский считал сознание «словом-чемоданом», которому недостает точности, необходимой научному термину.

«Слово „сознание“ необходимо заменить словами „мышление“, „принятие решений“ и другими, — говорил он. — Вместо того, чтобы рассуждать о тайне сознания, давайте лучше изучим 20 или 30 основных умственных процессов. Когда это будет сделано, кто-то скажет: „Сознание? Это чушь, в которую верили в ХХ веке“».

Но изучение сознания пошло не по тому сценарию, который предсказывал Минский. Теперь это любимый предмет исследования нейробиологов и постоянная тема для обсуждения на конференциях во всём мире.

Хамерофф — один из тех, кто создал ажиотаж вокруг этой темы. Они с Дэвидом Чалмерсом на протяжении многих лет проводили конференцию «На пути к науке о сознании», на которой выступали гости самых разных мастей — от настоящих ученых до гуру нью-эйджа вроде Дипака Чопры и экспертов по осознанным сновидениям вроде Стивена Лабержа.

Хамерофф и Пенроуз знают друг друга уже не одно десятилетие. Поводом для их знакомства послужила книга «Новый ум короля», после прочтения которой Хамерофф связался с Пенроузом и сообщил, что, он, возможно, нашел ключ к разгадке сознания.

«Стюарт написал мне письмо, в котором рассказал о микротрубочках», — вспоминает Пенроуз. Когда они встретились в Оксфорде, Пенроуз понял, что микротрубочки — наиболее подходящая среда для обеспечения квантовой когерентности. Так началось сотрудничество Пенроуза и Хамероффа. А когда в 2013 году японские исследователи объявили о том, что зафиксировали вибрации внутри микротрубочек, двое ученых сразу же ухватились за это открытие и преподнесли его как подтверждение того, что в мозге могут протекать квантовые процессы.

Тонкая грань между наукой и философией

Пенроуз и Хамерофф — странная пара. Хамерофф открыто заявляет о своей вере в бессмертие души. Пенроуз — атеист, возмущенный тем, что нью-эйджисты используют теории квантовой нелокальности и запутанности для подтверждения своих абсурдных верований.

На вопрос о том, что он думает об идеях Хамероффа о бестелесном сознании, Пенроуз отвечает:

«Он свободный человек. Хотя меня его взгляды немного беспокоят. Он идет намного дальше, чем я готов пойти».

Однако и в идеях самого Пенроуза не всегда можно провести грань между научным и философским измерением.

«Протосознание возникает каждый раз, когда во Вселенной принимается решение, — говорит он. — Взять, к примеру, пылинку, которая находится в состоянии суперпозиции одновременно в двух местах. Всего через долю секунды суперпозиция разрушится, и пылинка окажется только в одном из двух мест. Кто выбирает в каком? Вселенная? Или пылинка? Быть может, существует свобода выбора».

Предлагает ли теория Пенроуза решение философской проблемы свободы воли и детерминизма? Многие нейробиологи считают, что наши решения продиктованы происходящими в нейронах процессами, которые не управляются сознанием. Иначе говоря, свободы воли не существует. Но, согласно квантовой теории, причинных связей в мозге не существует. Высказывается ли Пенроуз в пользу свободы воли?

«Не совсем, хоть всё выглядит именно так, — отвечает он. — Наши решения кажутся произвольными. Но произвольна ли свобода воли?»

Пенроуз часто делает провокационные заявления, а потом меняет свое мнение. Его идеи о свободе воли — не исключение.

«Поначалу я верил в детерминированную Вселенную. Позже я осознал, что она, возможно, и детерминирована, но не вычислима. Если Вселенная связана с сознанием, то тотальный детерминизм от полной свободы воли должна отделять очень тонкая грань».

Как бы скептически мы ни относились к идеям Пенроуза, невольно хочется, чтобы он оказался на верном пути. Наука о сознании зашла в тупик, а теория Пенроуза — какой бы спекулятивной она ни была — предлагает выход из него.

В то же время нелегко поверить в существование квантовой когерентности в микротрубочках и согласиться с утверждением, что сознание можно объяснить лишь с помощью еще не открытых законов физики.

Есть и еще одна проблема. Предположим, что через 20 или 200 лет общие положения теории Пенроуза — Хамероффа подтвердятся. Будет ли это означать, что загадка сознания разгадана? Или что психофизиологическая проблема превратилась в квантовую психофизиологическую проблему, то есть еще большую загадку? Удастся ли нам когда-нибудь найти связь между физическим и психическим мирами?

На вопрос о том, имеет ли Вселенная смысл, Пенроуз дает неожиданный ответ:

«Сознание — это причина существования Вселенной».

Значит ли это, что он верит в существование разумной жизни где-то еще во Вселенной?

Но если Вселенная возникла из сознания, почему нам до сих пор не удалось найти следов разумной жизни за пределами Земли?

«Мне кажется, в нашей Вселенной неоптимальные условия для существования сознания, — отвечает Пенроуз. — Нетрудно представить себе Вселенную, в которой сознание было бы повсюду. Почему мы не живем в такой Вселенной?»

Время на квантовом уровне течет иначе. Но как? И что это означает для физики?

До начала ХХ столетия считалось, что время – есть величина абсолютная. Но после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), стало понятно, что время – понятие более субъективное и имеет отношение к наблюдателю, который его измеряет. И все же, многие продолжали трактовать время так, словно это прямая железнодорожная линия, двигаться по которой можно только вперед или назад. Но что, если эта железнодорожная линия ветвится или вовсе имеет окружные пути, двигаясь по которым поезд возвращается на станцию, которую уже проезжал? Иными словами, можно ли путешествовать в будущее или прошлое? Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса «Машина времени», научные фантасты придаются фантазиям во всю. Но в реальной жизни представить нечто подобное невозможно. Ведь если бы кто-то в будущем изобрел машину времени, неужто он бы не предупредил нас об угрозе пандемии COVID-19 или об ужасных последствиях глобального потепления? Но к нам так никто и не прибыл. Быть может, стоит посмотреть на время под другим углом?

Законы квантового мира очень сильно отличаются от тех, что мы можем непосредственно наблюдать

Квантовая механика – раздел теоретической физики, описывающий физические явления, действие в которых сравнимо по величине с постоянной Планка.

Ход времени

Наше понятие времени восходит к картине, описанной Исааком Ньютоном: стрела времени движется только вперед, лишая нас всякой возможности вернуться назад, в прошлое. В то же самое время ОТО гласит, что ход времени различен для наблюдателей в разных гравитационных полях.

Это означает, что у поверхности Земли время течет медленнее, так как сила гравитации на планете сильнее, чем на орбите. И чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Подробнее о том, почему время на вершине горы и на пляже течет по-разному, можно прочитать здесь.

Выходит, законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения времени в пространстве, а теория относительности и вовсе поставила на этой идее крест. Более того, как пишут в своей книге «Кратчайшая история времени» физики Стивен Хокинг и Леонард Млодинов, путешествия во времени возможны.

Обложка замечательной книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова, настоятельно рекомендуем к прочтению

Теория относительности показывает, что создание машины времени, способной переместить нас в будущее действительно возможно. Все, что нужно сделать после ее создания – войти внутрь, подождать некоторое время, а затем выйти – и обнаружить, что на Земле время шло иначе, нежели для вас. То есть намного быстрее. Безусловно, никто на планете не обладает подобными технологиями, но их появление – вопрос времени. Ведь если хорошенько подумать, то что нужно для изобретения такой машины?

Во-первых, она должна разгонятся до околосветовых скоростей (напомню, что скорость света достигает 300 000 км/с), а во-вторых, следует вспомнить знаменитый парадокс близнецов, при помощи которого физики пытаются доказать противоречивость специальной теории относительности, которая гласит, что с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются.

Согласно специальной теории относительности (СТО) все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости.

Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности 106 лет назад.

Немного проясним – данный способ предполагает, что машина времени, в которую вы вошли, взлетает, разгоняется до околосветовой скорости, движется так какое-то время (в зависимости от того, как далеко вперед во времени вы направляетесь) и затем возвращается назад. Когда путешествие заканчивается, покинув машину времени вы понимаете, что для вас прошло намного меньше времени, чем для всех жителей Земли – вы совершили путешествие в будущее. Но если отныне мы воспринимаем время по-другому, быть может, законы физики подскажут, как путешествовать в прошлое?

Можно ли отправиться в прошлое?

Первый намек на то, что человек может совершать путешествия во времени, появился в 1949 году, когда австрийский математик Курт Гедель нашел новое решение уравнений Эйнштейна. Или новую структуру пространства-времени, допустимую с точки зрения ОТО.

Вообще, говоря об уравнениях Эйнштейна, важно понимать, что они удовлетворяют множество разных математических моделей Вселенной. Эти модели различаются, например, начальными или граничными условиями.

И чтобы понять, соответствуют ли они Вселенной, в которой мы живем, мы должны проверить их физические предсказания.

Кстати, если вы давно не пересматривали «Назад в будущее» – самое время)

Гедель, будучи математиком, прославился тем, что доказал – не все истинные утверждения можно доказать, даже если дело сводится к попытке доказать все истинные утверждения, например, с помощью простой арифметики. Таким образом, подобно принципу неопределенности, теорема Геделя о неполноте может быть фундаментальным ограничением нашей способности познавать и предсказывать Вселенную.

Принцип неопределенности – принцип, сформулированный Гейзенбергом и утверждающий, что нельзя одновременно точно определить и положение, и скорость частицы; чем точнее мы знаем одно, тем менее точно другое.

Интересно, что пространство-время Геделя имело любопытную особенность: Вселенная в его представлении вращалась как целое. А вот Эйнштейн был очень огорчен тем, что его уравнения допускают подобное решение. Общая теория относительности в его понимании не должна позволять путешествия во времени. Уравнение Геделя, однако, не соответствует Вселенной, в которой мы живем, но его труд позволил миру взглянуть на время (а заодно и на Вселенную) иначе.

Итак, пространство-время, как известно, тесно взаимосвязаны. Это означает, что вопрос о путешествиях во времени переплетается с проблемой перемещения на скоростях, превыщающих 300 000 км/с, то есть скорость света. А когда речь заходит о фотонах, общая теория относительности, увы, уходит на задний план, а ее место занимает квантовая механика.

Подробнее о том, что изучает квантовая механика, а главное как, мы рассказывали в этой статье, рекомендую к прочтению!

Переход на квантовый уровень

Не так давно команда физиков из Университетов Вены, Бристоля, Балеарских островов и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI-Вена) показала, как квантовые системы могут одновременно развиваться по двум противоположным временным стрелкам (вперед и назад во времени). Иными словами, квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени.

Квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени

Ранее, чтобы понять почему, ученые установили, что время знает только одно направление — вперед. Так что нам с вами придется вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутой системе энтропия системы (то есть мера беспорядка и случайности внутри системы) остается постоянной или увеличивается.

Если наша Вселенная представляет собой замкнутый цикл, свернутый в клубок, ее энтропия никогда не может уменьшиться, а это означает, что Вселенная никогда не вернется в более раннюю точку. Но что, если бы стрела времени «посмотрела» на явления, где изменения энтропии невелики?

Второй закон термодинамики – это статистический закон, в среднем верный для макроскопической системы. В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционируют в сторону ситуаций с более низкой энтропией, – пишут авторы научной работы.

Вот что говорит об этом Джулия Рубино, научный сотрудник Университета Бристоля и ведущий автор новой статьи: «Давайте предположим, что в начале газ в сосуде занимает только его половину. Затем представьте, что мы удаляем клапан, который удерживал его в пределах половины сосуда, так что газ теперь может свободно расширяться по всему сосуду».

Термодинамика хранит в себе множество тайн о нашем мире и Вселенной

В результате мы увидим, что частицы начнут свободно перемещаться по всему объему сосуда. Со временем газ займет весь сосуд. «В принципе, существует ненулевая вероятность того, что в какой-то момент газ естественным образом вернется, чтобы занять половину сосуда, только эта вероятность становится меньше, чем больше становится количество частиц, составляющих газ», – объясняет Рубино.

Если бы существовало только три частицы газа вместо огромного количества газа (состоящего из миллиардов частиц), эти несколько частиц могли бы снова оказаться в той части сосуда, откуда они первоначально стартовали. Вот такая физика.

ОТО допускает путешествия во времени в будущее. С прошлым все намного сложнее

Далее, как вы могли догадаться, следует второй закон термодинамики – так называемый статистический закон, который является верным в среднем для макроскопической системы. «В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционирует в сторону ситуаций с более низкой энтропией», – отмечают исследователи.

Стрела времени

Чтобы разобраться еще подробнее, отметим, что в ходе нового исследования физики задавались вопросом о последствиях применения описанной выше парадигмы в квантовой области. Согласно принципу квантовой суперпозиции, отдельные единицы (например, свет) могут существовать одновременно в двух состояниях, как в виде волн, так и в виде частиц, проявляясь в том или ином виде в зависимости от того, что именно вы тестируете.

Команда Рубино рассмотрела квантовую суперпозицию с состоянием, которое развивается как назад, так и вперед во времени. Измерения показали, что чаще всего система в конечном итоге движется вперед во времени. Если бы не небольшие изменения энтропии, система действительно могла бы продолжать развиваться как вперед, так и назад во времени.

Разрушение суперпозиции состоянии при взаимодействии с окружением с течением времени Изображение Joint Quantum Institute

Так как же эти сложные физические понятия соотносятся с реальным человеческим опытом? Неужели наконец-то пришло время начать собирать вещи для путешествия назад во времени? Увы.

«Мы, люди, являемся макроскопическими системами. Мы не можем воспринимать эти квантовые суперпозиции временных эволюций», – говорит Рубино. Для нас время действительно движется вперед. Возможно, это тот случай, когда мир немного не определился.

И действительно – на самом фундаментальном уровне мир состоит из квантовых систем (которые могут двигаться вперед и назад). Более глубокое понимание того, как описать течение времени на уровне этих элементарных составляющих, могло бы позволить физикам сформулировать более точные теории для их описания и, в конечном счете, получить более глубокое понимание физических явлений мира, в котором мы живем.

Еще больше интересных статей обо всем на свете, а также о путешествиях во времени и Мультивселенной читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Выводы

Однако не все согласны с тем, что различие между макроскопическим и микроскопическим является четким. Как пишет Popular Mechanics, Рамакришна Подила, доцент кафедры физики и астрономии Университета Клемсона в Южной Каролине, говорит, что статистика многих частиц по сравнению со статистикой отдельных частиц является более точным способом описания вещей.

Даже у одной частицы есть свои собственные, уникальные микросостояния. Подила считает, что в нашем стремлении понять время мы ставим уравнения выше физической реальности — и упускаем главное.

Связывание стрелы времени с энтропией или коллапсом квантово-механической системы (как указано в статье) – это не формальные утверждения, а популярные методы, которые просты в использовании. Даже то, что время движется вперед, само по себе не аксиома, а теория, которую астрофизик Артур Эддингтон придумал и популяризировал в 1927 году.

Время и пространство неразрывно связаны, но правильно ли мы их понимаем?

Так что, возможно, идея о том, что пространство и время сливаются в один переплетенный континуум, имеет право на жизнь. С тех пор как Альберт Эйнштейн сформулировал теорию относительности, мы перестали воспринимать пространство как трехмерную фигуру, а время — как одномерное.

Время стало четвертым элементом четырехмерного вектора, описывающего пространство и время, — говорит Рубино. Это единая, динамичная сущность, над которой мы все еще ломаем голову.

В заключение же хочу не только поблагодарить читателя за внимание, но и вновь процитировать ученых: «Хотя время часто рассматривается как непрерывно увеличивающийся параметр, наше исследование показывает, что законы, управляющие его течением в квантово-механических контекстах, намного сложнее. Это может означать, что нам нужно переосмыслить то, как мы представляем эту величину во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль».

Из-за квантовой суперпозиции ход времени в микромире не имеет определенного направления — исчезает грань между причиной и следствием.

Полностью ознакомиться с текстом научной работы можно в журнале Nature. Кстати, как вы думаете, можно ли путешествовать во времени и что новое исследование говорит нам о Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье!

Квантовый принцип суперпозиции

Квантовый принцип суперпозиции является центральным принципом квантовой физики. Применительно к описанию состояний фотона его можно пояснить так. Если фотон может попасть в состояние несколькими способами, результирующая амплитуда попадания в данное состояние равна векторной сумме амплитуд попадания каждым из способов. Надо иметь в виду, что амплитуды складываются только в том случае, когда принципиально невозможно различить, каким из способов произошло попадание в данное состояние. Если же при проведении эксперимента использовать какое либо устройство, позволяющее определить, каким из способов произошло попадание в конечное состояние, то амплитуды не складываются – складываются вероятности осуществления всех способов. В этом случае квантовой интерференции амплитуд вероятности нет.

Пример квантовой интерференции. Пучок фотонов одной и той же энергии направим на две параллельные друг другу плоскопараллельные пластинки (интерферометр Фабри-Перо). Будем регистрировать отраженные от системы фотоны.

Описание опыта на классическом языке выглядит так. Электромагнитная волна частично проходит и частично отражается от первой пластинки. С прошедшей частью происходит то же самое. Отраженная волна представляет собой суперпозицию двух волн — отраженной от первой и отраженной от второй пластинки. Если разность хода отраженных волн равна целому числу волн, то будет наблюдаться усиление отраженного света. Если же разность хода отраженных волн равна нечетному числу полуволн, то будет наблюдаться ослабление отраженного света. Поэтому при плавном изменении расстояния между пластинками должно наблюдаться попеременное усиление и ослабление отраженного света. Это предсказание согласуется с опытными данными.

Оказывается, все предсказания на основе классической волновой теории, подтверждаемые экспериментально, следуют и из квантовой теории. Проведем квантовые рассуждения. Падающий на первую пластинку фотон имеет амплитуду отразиться, обозначим ее через a1, и имеет амплитуду пройти, обозначим ее через b1. Очевидно, a1и b1должны удовлетворять условию ça1ç2+çb1ç2=1. Амплитуда вероятности Y2фотону, отраженному от второй пластинки, выйти из первой пластинки имеет фазу, большую фазы амплитуды вероятности отражения от первой пластинки Y1=a1на Dj=2kb(для простоты не учитываем показатель преломления пластинок, то есть считаем пластинки бесконечно тонкими), потому что точка выхода фотона, отраженного от второй пластинки, отстоит от точки отражения от первой пластинки вдоль траектории фотона на двойное расстояние между пластинками. Детектор фотонов, установленный перед пластинками, принципиально не может отличить, от первой или второй пластинки отразился фотон. Поэтому, результирующая амплитуда вероятности того, что фотон отразится от системы пластинок, равна векторной сумме амплитуд Y1 и Y2. Из рисунка видно, что при разности фаз амплитуд вероятности, равной целому числу 2p, сумма амплитуд равна сумме длин стрелок, а при разности фаз, равной нечетному числу p, сумма амплитуд равна разности длин стрелок. В первом случае вероятность прохождения равна квадрату суммы длин стрелок, а во втором — квадрату разности длин стрелок. В общем случае вероятность отражения P вычислится по теореме косинусов
P=|Y1|2+|Y2|2+2|Y1|×|Y2|cos2kb (3)
Точно так же, как и классическая, квантовая теория предсказывает чередующиеся усиления и ослабления частоты срабатывания детектора при плавном изменении расстояния между пластинками. Если обеспечить выполнение условия çY1ç=çY2ç, то при определенных расстояниях b вероятность отражения может равняться нулю, хотя амплитуды отражения и от первой и от второй пластинок не равны нулю.

Следующая задача является центром занятия.

Задача 4.Через две щели, ширина каждой из которых меньше длины волны амплитуды вероятности l, пропускают пучок электронов. Электроны попадают на экран, расположенный на расстоянии L от щелей. Амплитуды попадания электрона в верхнюю и в нижнюю щели одинаковы. Рассмотрите ситуацию L>>l, b, x.

а) Полагая, что модули амплитуд вероятности электрону и из верхней и из нижней щелей попасть на экран в начало координат одинаковы и равны Y, определите частоту срабатывания детек­тора I, закрепленного на экране на расстоянии x от начала координат. Счи­тайте, что частота срабатывания детек­тора, установленного в начале коорди­нат, равна I0. Полагайте также, что Yне зависит от x.
б) Получите приближенное выражение расстояния между центральным и первым максимумом интенсивности попадания электронов.
в) Дайте качественное предсказание изменения дифракционной картины в случае, когда модули амплитуд попадания электрона на экран из щелей не равны и обратно пропорциональны расстоянию от щели до места попадания.
г) Как изменится дифракционная картина, если фаза амплитуды вероятности попадания электрона в верхнюю щель меньше фазы амплитуды вероятности попадания электрона в нижнюю щель на p/6?

Решение. а) Поскольку принципиально невозможно определить, из какой щели прилетает электрон в точку x,постольку результирующая амплитуда попадания равна сумме амплитуд. Амплитуды попадания электрона из верхней и нижней щелей имеют разность фаз , где Dl- разность хода в точку x из верхней и из нижней щелей. Она равна
(4)
Соответствующая разность фаз при этом
(5)

Далее складываем амплитуды по теореме косинусов, и определяем вероятность попадания электрона в точку x, как это было сделано в примере
(6)
Центральный максимум находится в точке x=0. Так как интенсивность срабатывания детектора в центральном максимуме равнаI0, то , и интенсивность срабатывания в точке xзапишется в виде
(7)

б) Расстояние между центральным и первым максимумами определится из условия
(8)
Откуда
(9)

в) По мере удаления от центрального максимума при перемещении вдоль экрана будет наблюдаться различие в длинах стрелок амплитуды вероятности. В отличие от ситуации, описываемой формулой (13), которая в точках минимума дает нулевую интенсивность срабатывания детектора, вычитание волн амплитуд вероятности попадания из разных щелей не будет давать нуль. На дифракционную картину будет налагаться монотонная “подсветка”.

г) К разности фаз амплитуд вероятности, задаваемой формулой (5), добавится p/6, поэтому новая разность фаз будет равна
(10)
Соответственно формула (17) преобразуется к виду
(11)

Формула (11) говорит, что вся дифракционная картина смещается вниз на расстояние .

Подведем итоги решения задачи 4. При рассеянии пучка электронов на двух щелях волны амплитуды вероятности, прошедшие через верхнюю и через нижнюю щель, налагаются друг на друга (интерферируют) и возникает дифракционная картина подобная картине дифракции света на двух щелях. Замечательно, что если по очереди прикрывать ту или иную щель, то картина рассеяния не будет иметь минимумов или максимумов (так как щели очень тонкие). Максимумы и минимумы возникают только в том случае, когда открыты обе щели. Складываются амплитуды вероятности двух возможностей. Нельзя утверждать, что электрон попадает в детектор, прилетев из верхней щели или из нижней щели. Он прилетает сразу из двух щелей. Не смотря на то, что электрон является неделимой частицей, каким-то образом он пролетает сразу через две щели.

Возможность интерференции состояний является главной чертой квантовой физики. Это ее главная суть.

Чуть-чуть о квантовой физике. Суперпозиция. ⁠ ⁠

Мог бы сказать проще — положение частицы зависит от наблюдателя. Пока мы смотрим на частицу — мы ее видим в одном месте, как только мы на нее не смотрим — она находится везде.

Очень странный график. В принципе, частица может равновероятно находиться в любой точке отрезка. А если ограничиваем потенциалом отрезок, то получится синус. А у тебя нечто похожее на гауссову функцию. откуда такая волновая функция?

Расскажи лучше какие образом квантовая запутанность возникает, как связывают две частицы, как их развязать возможно.

Камера Вильсона из говна и веток⁠ ⁠

Давно собирался сделать эту прибуду. Но то времени не было, то денег. В итоге понял , что если ждать того и другого , то не сделаю никогда.

В итоге получилось нечто супер бюджетное, долларов 30 за все про все ,но тем не менее работоспособное.

По ходу конструирования разрушил для себя некоторые мифы об особенностях этого прибора.

Миф первый — чтобы это сделать нужно 100-200-300 американских рублей. Себестоимость я описал выше.

Миф второй — нужна температура 35-40-45 ниже нуля по Цельсию. Собственно в процессе экспериментов выяснилось, что эффект начинает проявляться с -20.

Миф третий — изопропиловый спирт высокой очистки. Аптечный этиловый работает на ура.

Миф четвертый — на воздушном охлаждении Пельтье низких температур не дают.

Дают. В комнате 28, на поверхности прибора -37.

Нужно правильно настроить мощности двух ступеней. И продумать термоинтерфейс.

Вот как-то так. Кому интересно — задавайте вопросы.

Физик Кирилл Половников о популяризации науки | Научпоп⁠ ⁠

Зачем нужна популяризация науки (Научпоп)? Об этом рассказывает Кирилл Половников, физик, кандидат физико-математических наук, стипендиат фонда «Династия».

Ответ на пост «Российские школьники отличились на Международной олимпиаде по информатике»⁠ ⁠

В городе Джокьякарта в Индонезии завершилась 34-я Международная олимпиада школьников по информатике (International Olympiad in Informatics, IOI 2022). В ней приняли участие команды из 90 стран мира.

Золотых медалей были удостоены:

-Александр Бабин (школа № 149 города Красноярска)

-Данил Клищ (физико-математический лицей № 31 города Челябинска),

-Всеволод Нагибин (образовательный центр – гимназия № 6 «Горностай» города Новосибирска).

Серебряную медаль взял Федор Ромашов (СУНЦ имени А.Н. Колмогорова Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова).

Итоговая таблица Международной олимпиаде по информатике IOI 2022. Команда из РФ выступала под обозначением IOI:

В рамках этой олимпиады в командном зачёте по четыре золота получили сборные Японии и Китая. Команда США выиграла три золотые медали и одно серебро.

А теперь читаем новостные каналы:

Я очень рад за наших ребят что их годы тренировок не прошли зря и они заслуженно оставят свой след в 10-ке лучших команд (в международной-то олимпиаде это очень круто) но наши новостники как-то предпочитают опустить общие результаты олимпиады и подробности но не забывают сказать что наши все там эгегей. не надо так новости однобоко преподносить, пожалуйста указывайте подробнее общие результаты тоже! Спасибо за внимание. @GoodCurrentNews

С попытками преисполниться в сознании всё не так однозначно⁠ ⁠

Российские школьники отличились на Международной олимпиаде по информатике⁠ ⁠

Российские школьники увезли домой сразу несколько призовых наград с Международной олимпиады по информатике: старшеклассники получили три золотые медали и одну серебряную🥇

Странная физика⁠ ⁠

ЧТО уничтожает ВСЕ цивилизации в космосе?⁠ ⁠

Ребят, не видел, чтобы кто-то выкладывал сюда этого автора. Очень хочется поделиться с вами.

«Взгляните на звёздное небо. Есть ли там жизнь? Существуют ли внеземные формы разума? Инопланетяне — что они из себя могут представлять? Как могут выглядеть пришельцы из космоса? И если они есть, то, в конце концов, где все?

Эти вопросы куда сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Ролик во многом основан на изысканиях советского астрофизика и астронома Иосифа Самуиловича Шкловского, которые он изложил в своей книге «Вселенная. Жизнь. Разум.»

Некоторые учёные полагают, что отсутствие наблюдаемых проявлений внеземной разумной жизни является следствием существования Великого фильтра, который не позволяет космическим цивилизациям начать неограниченную межзвёздную экспансию.

При создании ролика я опирался на многие материалы. Помимо книги Шкловского я пользовался книгой «От большого взрыва до великого молчания» под авторством Владимира Михайловича Липунова, научно-фантастической литературой вроде «Соляриса» Станислава Лема, статьями, гуглом и многим, многим другим.»

Ссылка на канал ALI:

Излучение Хокинга (ScienceClic)⁠ ⁠

Излучают ли сами черные дыры? Как определена температура черной дыры? Какие парадоксы порождает излучение Хокинга? В очередном видео от ScienceClic в моей озвучке.

Дробное измерение (или как передоз порядка ведет к хаосу)⁠ ⁠

Фрактал Мандельброта

Как говорится, слово – не воробей, и вот подоспело обещанное продолжение к предыдущей заметке про фракталы. Если кто-то ее не видел, милости просим сюда. Правда, стоит предупредить заранее: этот текст вышел посложнее, так что если вы просто заглянули почитать в перерыве что-то легкое и занимательное под кофеёк, то идите своей дорогой, потому что сегодня мы затронем математику беспорядочного. Но обо всем по порядку *и никакой тавтологии*.

Какова размерность куба? На интуитивном уровне мы понимаем, что она равна трем, ведь в кубе есть три направления для движения: вперед-назад, вправо-влево, вверх-вниз. Такая пространственная размерность (да, не поверите, они еще и разные бывают) приближенно равна топологической. Не забивайте себе голову, просто дальше мы будем использовать именно это слово, чтобы какой-нибудь господин математик не забросал нас тапками. Для разминки, попробуйте определить топологическую размерность шара, сферы и линии. Да, это проще простого: у шара = 3 (как и у куба), у сферы = 2 (так как по сфере мы можем перемещаться только в двух направлениях), ну и у линии = 1, ведь по линии мы можем идти только вперед и назад.

Легко представить двух- или трехмерный объект, а если у вас достаточно развита фантазия, то вы и четырехмерный куб навоображать сумеете. Он, кстати, называется тессеракт *где-то в мультивселенной поперхнулcя Локи*. Но как насчет объектов, размерность которых является дробью? Слабо представить что-нибудь, скажем, 1,25-мерное?

Да ладно, не ломайте себе психику: дробной топологической размерности не бывает, ее свойство как раз в том, что она выражается только целыми числами. Так что не пытайтесь вообразить, как выглядит три четверти направления в пространстве.

Зато фрактальная размерность – всегда дробная! Знаю, звучит бредово, но, говоря о фракталах не стоит представлять направления движения по ним, потому что фрактальная размерность скорее показывает, насколько плотно кривая заполняет плоскость или насколько хорошо плоскость заполняет пространство. Слишком мудрено? Вот вам небольшая визуализация: если мы возьмем лист бумаги, сомнем очень много раз и положим под пресс, мы все равно не сможем сохранить его таким же плоским, как в выпрямленном состоянии. Таким образом, являясь сам по себе двумерным объектом, лист бумаги вышел за его рамки и заполнил трехмерное пространство. То же самое можно придумать с кривой линией: зная, что кривая фрактала бесконечно сложная – она будет заполнять двухмерную плоскость, хотя сама по себе одномерна.

Кроме того, размерность фрактала как бы показывает нам, насколько извилистей он своего «правильного» целого брата. Например, размерность кривой Коха равна примерно 1,26 – из чего мы можем сделать вывод, что она настолько сложнее обычной кривой линии (у которой размерность 1), что находится в подвешенном состоянии между статусом одномерного и двумерного объекта. Снежинка Коха слишком сложна, чтобы быть одномерной, и слишком проста, чтобы зваться двумерной. А вот прямая линия никак не заполняет плоскость, причем не потому что она бесконечно тонкая, а потому что слишком простая по форме.

Смогли бы вы нарисовать фрактал? Вряд ли. Вы можете изобразить запутанную, извилистую линию, которая с первого взгляда будет казаться очень сложной. Но постепенно увеличивая масштаб все бугорки и впадины выпрямятся, и в большом разрешении ваша кривая станет обычной прямой со стандартной размерностью равной одному. И вот, наконец, мы подошли к более научному определению фрактала.

Фрактал (от латинского fractus – ломаный, дробленый) – это множество точек, имеющее дробную размерность. Другими словами, как бы мы не изменяли масштаб, кривая фрактала всегда будет сложнее обычной линии.

Если вам кажется, что мы уже упоролись *вам не кажется* и ушли в какие-то виртуальные математические дебри, то вот вам несколько примеров из жизни. Установлено, что фрактальная размерность берега Байкала примерно равна 1,33, а побережья Великобритании составляет 1,25, что очень близко к значению снежинки Коха. Грубо говоря, британский берег в любом масштабе в 1,25 раз извилистей, чем обычная линия. Другим удивительным примером является поверхность человеческого легкого: несмотря на то что объем воздуха в легких — это стандартный показатель и его просто измерить, то вот площадь их поверхности порой достигает ста квадратных метров (!). Эволюция постепенно усложняла структуру легких, чтобы увеличить скорость газообмена, и наусложняла так, что их поверхность тоже имеет дробную размерность, равную около 2,97. То есть она настолько «мятая», что начинает заполнять трехмерное пространство, да еще так сильно, что является больше трехмерным объектом, чем плоскостью!

Надеюсь, вы еще не устали, потому что в повестке было сказано про какой-то там хаос, а мы все еще к нему ползем.

Ладно, от руки мы фрактал, конечно, не нарисуем, но вот с помощью программы запросто, нужно только знать, какую функцию и как использовать. Вот вам пример такой функции: z^2 + c, здесь с – фиксированное число, а z – комплексная переменная. Для тех, кто пенёк, комплексная переменная – это тот же самый привычный нам со школьных времен икс или игрек, но состоящий из двух частей: реальной и мнимой. Ничего особо страшного, просто еще один вид чисел, как натуральные, целые и так далее. Если применить такую функцию много-много раз *знакомы со словом рекурсия?* и построить ее график, то вы получите изображение фрактала Мандельброта (см. картинку) – наверное, самого знаменитого из всех фракталов *хотя хитрый Мандельброт по слухам стырил эту формулу у своего конкурента*.

Главная особенность фрактала (или же множества) Мандельброта в том, что он во много раз сложнее любого другого и содержит в себе бесконечное число совершенно непохожих друг на друга фракталов. Его граница так невероятно сложна, что имеет размерность равную двум! Вот так, последовательно совершая простые действия, типа возведения в квадрат и прибавления к константе, мы получили один из самых сложных объектов в математике.

Но дело в том, что повторяющиеся функции (их еще зовут итерированными) связаны не только с построением красивых изображений фрактальных фигур, сам принцип «от простого к бесконечно сложному» является основой так называемой теории хаоса. Когда функция порождает самоповторяющийся (или почти повторяющийся) объект – мы называем его фракталом, а когда с каждый циклом мы наоборот получаем совершенно разные «узоры» – мы называем это хаотическим процессом.

Хаос, помимо отсутствия идентичных друг другу «узоров», характеризуется особой чувствительностью к изменению начальных условий. Вы никогда не думали, почему нет прогноза погоды на полгода или на год? Ну, чтобы заранее посмотреть, когда лучше лететь в отпуск. Если синоптики постоянно получают огромное количество данных о текущем состоянии погоды, почему нельзя просто рассчитать прогноз, взяв их за основу? К сожалению, это невозможно, и виной тому – хаос.

Эдвард Лоренц заметил это еще в далеких 1950-х. Работая с математическими моделями для предсказания погоды, он в какой-то момент отвлекся от построения графика данных. Но вместо того, чтобы удалить график и начать все заново, он решил продолжить моделирование с того места, где остановился и сам ввел промежуточные данные в качестве начальных условий. Сначала полученная кривая соответствовала предыдущей, но с каждым новым расчетом все сильнее отклонялась от нее.

Весь фокус заключается в том, что компьютер при вычислении промежуточных значений сохраняет в памяти гораздо больше десятичных знаков, чем показывает экран, и, введя эти значения вручную, Лоренц изменил начальные условия. Казалось бы, что решают тысячные доли? Даже с округленными значениями мы совершали одни и те же четко расписанные действия, кривая должна была хотя бы отдаленно напоминать изначальную. Однако в результате получился совершенно новый график. Этот принцип, открытый Лоренцом, называется (как уже многие догадались) «эффектом бабочки», когда даже легкий взмах крыльев бабочки может вызвать ураган.

А ведь все так красиво начиналось… Но в конце концов очень простые и четкие правила внезапно привели к полной непредсказуемости и беспорядку. Возможно, в том, что фракталы и хаос имеют общие корни, есть какая-то философия? Не знаю. Знаю только, что второй заметки мне все равно не хватило, чтобы рассказать подробнее про применение этих принципов в жизни. Так что спасибо всем, кто это дочитал и сохранил ясность мышления. Любите математику :3

Оставляю ссылку на сайт (таких, кстати, полно), где можно порефлексировать и рассмотреть все извилины этого удивительного объекта.

P.S. У Рэя Брэдбери есть очень интересный короткий рассказ про эффект бабочки – «И грянул гром».

Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика: суть простыми словами

Здравствуйте, дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, хотите стать по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.

«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находится в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновой дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.

Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле может 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.

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траекторию и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функции. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычный, привычный для нас предмет классического мира.

«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой
статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

Я попытался рассказать об основах квантовой физики кратко и понятно.

Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.

Мультфильм про квантовую физику:

Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.

Видео о квантовой физике:

И как вы раньше об этом не знали.

Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.

Квантовая азбука: «Когерентность»

Можно ли потревожить квантовую систему чуть-чуть, а потом вернуть все обратно?

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо — иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. Мы уже говорили о квантовых компьютерах, нелокальности и квантовой телепортации. Сегодня речь пойдет о еще одной загадочной квантовой штуке — когерентности. Рассказывает о ней младший научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров.

Что такое когерентность? Есть ли какие-то хорошие аналогии из классической физики?

Понятие когерентности впервые возникает именно в классической физике, когда речь идет про колебания. Классическая когерентность — это постоянство относительной фазы между двумя или более волновыми процессами одной частоты. Когда говорят о когерентности всегда вспоминают интерференцию — эффект, при котором суммарный поток энергии от нескольких когерентных источников в некоторой точке пространства получается не непосредственным сложением потоков энергии от каждого источника, а чуть сложнее. Говоря формально, нужно сложить комплексные амплитуды, которые описывают приходящую от каждого источника волну, потом взять модуль полученного комплексного числа и возвести его в квадрат (с некоторым коэффициентом, чтоб с размерностями все было хорошо).

За счет суммирования комплексных амплитуд, а не интенсивностей, в пространственном профиле интенсивности образуется хорошо знакомая интерференционная картинка. Именно отличие результирующей интенсивности волнового процесса от суммы интенсивностей его составляющих и есть признак интерференции.

Теперь к квантовой механике. Одним из основных положений квантовой механики является то, что микроскопические частицы в своем поведении проявляют волновые свойства. Но если в классической физике мы говорили, например, о волнах напряженности электромагнитного поля, то для микроскопических частиц речь идет волнах вероятности, описывающимися комплексными «амплитудами вероятности», известными также под названием «волновая функция». Именно эта идея заложена в уравнение Шрёдингера.

Для волн вероятности, как и любых других волн, также характерны все те же эффекты, связанные с возможностью наложения волн друг на друга. В квантовой механике такое наложение называют (когерентной) суперпозицией. Именно суперпозиция приводит к «квантовым» эффектам дифракции и интерференции.

Квантовые системы могут находиться в когерентной суперпозиции состояний, даже если это суперпозиция (с классической точки зрения) взаимоисключающих состояний. Прямое применение квантовых законов к классическому миру ведет к парадоксальным ситуациям, одна из наиболее известных — кошка Шрёдингера. Да, в ящик Шрёдингер хотел посадить именно кошку (die Katze), а не кота.

Почему когерентность необходима для квантовых вычислений?

Квантовая когерентность позволяет реализовать квантовый параллелизм. Архитектура квантовых компьютеров отличается от архитектуры классический вычислений в нескольких важных аспектах (про это в квантовой азбуке уже говорилось, но напомнить основы будет не лишним).

Система битов заменяется на систему кубитов, которая находится в некотором начальном состоянии. Логические операции выполняются не классическими логическими элементами, а их квантовыми аналогами. Таким образом, в квантовом компьютере через квантовый логический элемент («гейт») может проходить сразу целый набор (когерентная суперпозиция) входных сигналов, дающих суперпозицию соответствующих выходных сигналов. Это и обеспечивает преимущество квантовых вычислений над классическими в некоторых классах задач, например, в задаче факторизации.

Правда тут есть тонкость: после того как квантовый компьютер закончит вычисления, ответы к задачам, которые он решал, будут также находиться в состоянии суперпозиции. Как только мы попытаемся выяснить, каковы эти ответы, мы получим только один, случайно выбранный ответ. Но проделав вычисления много раз, мы можем говорить об ответе с достаточной степенью вероятности.

Квантовый компьютер имеет преимущество над классическим в определенных классах задач. С одной стороны, это ограничивает его применения и свидетельствует о том, что он, возможно, не заменит нам классический персональный компьютер. Хотя, высказывая подобные предположения стоит помнить о том, что на заре компьютерной эры миру приписывали необходимость всего в пяти компьютерах.

Кроме того, класс задач, с которым квантовый компьютер справляется лучше классического, лежит в основе современных представлений о криптографии и информационной безопасности. Так что возможное появление квантового компьютера уже меняет правила в информационных технологиях.

Что такое декогеренция, какие процессы могут к ней приводить?

В классической физике явление декогеренции также существует. Декогеренция — нарушение когерентности — это исчезновение когерентных свойств, связанное с потерей постоянства относительной фазы между источниками, что, например, приводит к разрушению интерференционной картины, о которой мы говорили выше.

В квантовой механике все сложнее и намного интереснее. Декогеренция представляет собой взаимодействие квантовой системы с окружающей средой, при котором квантовое состояние системы неконтролируемо изменяется. С точки зрения теории квантовой информации декогеренции соответствует возникновение запутанности между степенями свободы квантового состояния и степеняими свободы окружения.

При этом в окружение попадает часть информации о квантовом объекте, в то время, как в квантовую систему попадает часть информации об окружении. Декогеренция происходит из-за того, что хаос неопределенности состояния окружения врывается в состояние квантовой системы, изменяя его неконтролируемым образом.

Рассмотрим это на примере знаменитого опыта Юнга: будем стрелять из «квантового пулемета» частницами на экран с двумя щелями . Если после экрана поставить детектор электронов, то мы увидим интерференционную картину. В опыте Юнга интерференция пропадает тогда, когда в окружение попадает информации, через какую из двух щелей прошла частица. Это может быть связано, как с наличием специальной экспериментальной установки (например, подсвечивающих каждую из щелей «фонариков»), так и с неконтролируемыми экспериментаторами явлениями. Казалось бы это чудо, но нет — это «взаимодействие» квантовой системы с наблюдателем.

Если рассматривать поведение всех, в том числе и макроскопических, объектов с точки зрения квантовой механики, то декогеренции соответствует возникновение запутанности между конкретным квантовым объектом и окружением. По причине декогеренции мы не видим кошек, одновременно бегущих в противоположных направлениях.

Как определить, что произошла декогеренция?

Декогеренцию можно обнаружить, например, по исчезновению интерференционной картины. Есть такой простой эксперимент «Welcher Weg» («который путь»). В нем, фактически, мы просто посылаем фотоны на светоделитель, через который фотон либо проходит (назовем это «путь 1»), либо отражается (назовем это «путь 2»). Затем с использованием зеркал мы сводим два пути в другой светоделитель, на каждом из выходов которого стоит детектор одиночных фотонов.

К примеру, если в этом эксперименте интерферометр (т.е. соотношение между длинами путей) изначально был настроен на то, что все фотоны выходят строго в одном из двух направлений выходного светоделителя. При декогеренции, т.е. разрушения состояния когеретной суперпозиции между путями, они будут выходить с вероятностью 1/2 в каждом из двух направлений.

Предположим, квантовый компьютер выполнял некую операцию и произошла декогеренция (например, на середине исполнения алгоритма Шора, или каких-либо более простых операций). Каков будет результат вычисления, чем он будет отличаться от вычисления на полностью когерентных кубитах?

Декогеренция будет приводит к искаженному результату вычислений (который, возможно, еще и будет меняться от запуска к запуску) в выходном квантовом регистре. Например, в результате выполнения алгоритма Шора для числа 15 мы будем получать не стабильно 3 и 5, а с какой-то вероятностью 3 и 5, и с какой-то вероятностью всевозможные иные результаты (2 и 4, 3 и 6 и т.д.)

Как бороться с декогеренцией? Можете ли Вы привести какие-то примеры? Сложнее ли сохранять когерентность в многокубитных системах?

Для борьбы с декогеренцией нужен контроль окружения, поскольку даже малейшее воздействие окружения может привести к декогеренции. Таким образом, нужно чтобы изучать квантовые суперпозиции, необходимо тщательно изолировать их от окружающей среды.

Интересно, что последнее обстоятельство породило концепцию квантового сенсора: раз квантовые состояния так чувствительны к внешним воздействиям, значит с их помощью можно проводить сверхчувствительные измерения. Недавно с помощью квантового сенсора на NV-центрах было проведено измерение сигнала от отдельного нейрона.

На практике для борьбы с декогеренцией используются низкие температуры и различные компенсационные схемы для медленно меняющихся флуктуаций в параметрах окружающей среды. Например, ученые научились обращать декогеренцию вспять в экспериментах с «спиновым эхо» (о нем чуть ниже).

В многокубитных системах сложнее балансировать между необходимостью заставить кубиты «слышать» друга друга и «разговаривать» между собой, и при этом «не слышать» окружение. Принципиальных физических ограничений для этого нет, но на пути к решению такой задачи есть ряд технологический затруднений.

Как долго сохраняется когерентность в современных кубитах?

Недавно ученые Мэрилендского университета построили устройство из пяти кубитов на основе ионов иттербия в электромагнитных ловушках (о ней N+1 писал). В частности, в этой работе, являющейся одной из самых свежих, это времена порядка секунд.

Насколько эта величина соответствует требованиям, предъявляемым концепцией квантовых компьютеров?

Нужно чтобы время когерентности превосходило время, за которое происходит вычисление и коррекция ошибок. Таким образом, достижимое время когерентности является достаточным чтобы проводить вычисления. Однако этого пока недостаточно, чтобы сделать полноценный и универсальный квантовый компьютер, поскольку для этого требуется долговременная память и другие элементы, в которых время когерентности должно быть больше. Другой интересный подход состоит в развитии топологических квантовых вычислений, которые являются устойчивыми к ошибкам.

Как связана декогеренция и коллапс волновой функции? Это про одно и то же?

Это «добрый полицейский» и «злой полицейский».

Суть обоих этих процессов состоит в утечке информации о состоянии квантовой системы в окружающую среду. Когда говорят о декогеренции, данный процесс представляется относительно плавным и растянутым во времени — как допрос доброго полицейского. В случае коллапса он подразумевается практически мгновенным и интенсивным — злому полицейскому нужны ответы сразу. И неважно что там с дальше будет с нашей квантовой системой.

Часто говорят о коллапсе волновой функции в момент измерения, хотя фактически измерение есть срежессированная версия декогеренции, при которой роль окружения берет на себя измерительный прибор, транслирующий информацию о квантовой системе на макроскопический уровень (условно говоря, на отклонение стрелки). Можно сказать, также, что коллапс волновой функции представляет собой предельный случай декогеренции.

А можно декогеренцию чуть-чуть сломать, а потом вернуть на место?

Исходя из природы процесса декогеренции понятно, что для обращения декогеренции требуется вернуть информацию, известную окружению о квантовой системе, обратно в квантовую систему, т.е. макроскопическому окружению требуется её «забыть». В общем, это очень сложно, поскольку процесс утечки информации является необратимым из-за того, что степеней свободы, в которых эта информация может храниться чрезвычайно много, и все они быстро обмениваются ей между собой. Поэтому чтобы вернуть все на свои места нужно достаточно хорошо контролировать окружение. Все как у людей, в общем.

Однако принципиально трюк по обращению декогеренции возможен, например, в эксперименте под названием «спиновое эхо». Его суть состоит в том, что время эволюции квантовой системы (например, ядерного спина) было гораздо меньше, чем время характерного изменения внешних условий (магнитного поля). Применяя специальную последовательность операций, можно обращать процесс утечке информации о квантовой системы вспять.

От телепортации до путешествий во времени: все, что нужно знать о квантовой механике

О теории струн, квантовой запутанности, телепортации и многом другом.

Что такое квантовая механика? Скажем так: это основная причина смерти кошек, но не главная причина их смерти. Если в вашу голову приходит (неуместная) шутка вроде этой, то вам точно нужно ознакомиться со списком фактов ниже.

Квантовая механика охватывает впечатляющий набор физических законов и теорий, которые исследуют такие вопросы, как состав Вселенной и возможность путешествий во времени, а также все, что между ними. И все, что внутри. И вокруг. И даже то, что мы не видим. О чем мы знаем и о чем не знаем.

Хорошая новость состоит в том, что в этом мы не одиноки. Еще никому не удалось раскрыть все тайны Вселенной. Поэтому мы предлагаем вам отправиться в путешествие через пространство-время, чтобы узнать несколько фактов из квантовой механики.

Давайте начнем с начала (или с конца, в зависимости от вашей точки зрения)

Что же такое квантовая механика? Прежде всего это раздел физики, который попадает под изучение всего, что связано с нашим естественным миром, включая пространство, время и материю.

Квантовая механика конкретно занимается физикой элементарных частиц, стремясь понять движение и взаимодействие между строительными блоками, составляющими нашу Вселенную. Квантовую механику порой называют «наукой о малом» – в противоположность общей теории относительности, известной как «наука о большом».

Что еще стоит знать о квантовой механике, так это то, что она включает в себя некоторые странные концепции – квантовую суперпозицию (или пребывание в более чем одном месте одновременно), теорию струн, множественность вселенных («мультивселенная»), дополнительные измерения и целую галактику других теорий, которые могут вызвать экзистенциальный кризис вокруг того, что реально, и что все это значит.

Опыт Томаса Юнга поражает воображение с 1801 года

Невозможно говорить о квантовой механике, не обсуждая двухщелевого опыта Юнга. Эксперимент можно легко воссоздать самостоятельно: просто сделайте две прорези на листе бумаги, посветите через них фонариком и понаблюдайте за созданными линейными узорами. Вы спросите: «И что я должен понять?».

Видео выше объясняет закономерность лучше тысячи слов. По сути, опыт Юнга показывает, что фотоны света ведут себя и как частица, и как волна. Это свойство получило название «корпускулярно-волновой дуализм».

Это первое наблюдение двойственности частиц произошло задолго до того, как квантовая механика сформировалась как наука, и способствовало появлению первой фотографии света как в его частицах, так и в волновых состояниях.

Кот Шрёдингера

После 135 лет, в течение которых ученые пытались понять последствия эксперимента Юнга, австрийский физик Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент, который еще больше запутал всех и вся. Но все же стал одним из известных строительных блоков теории квантовой суперпозиции.

1Gai.Ru / wuthrich.net / Gett Images

Конечно, кошек ученый не убивал. Вместо этого Шредингер представил научному сообществу следующую гимнастику для ума: если кот застрял в коробке с радиоактивным веществом (количество которого так мало, что лишь один атом может распасться, а может и не распасться), то лишь при наблюдении (то есть когда вы откроете коробку) вы сможете определить, жив кот или мертв.

То есть до момента вскрытия коробки верны обе возможности – получается, кот и жив, и мертв одновременно. Представив себе эту причудливую кошачью пытку, Шредингер надеялся понять, когда частицы выходят из состояния квантовой суперпозиции, чтобы стать чем-то конкретным.

Суперпозиция, или «Пребывание в двух местах одновременно»

Эксперимент Юнга, кот Шредингера и устройство USB-накопителей помогают понять концепцию под названием «квантовая суперпозиция». На высоком уровне квантовая суперпозиция говорит, что предмет может существовать во всех возможных состояниях до момента его наблюдения.

Свет – это и частица, и волна, кот в коробке одновременно жив и мертв, а USB-накопитель одновременно находится в позиции вверх и вниз. Только когда мы что-то видим, это «фиксирует» состояние бытия.

Это заставляет нас без перерыва смотреть сериалы Netflix на компьютере, который экспоненциально мощнее всего, что мы знаем сегодня, благодаря небольшому проекту под названием «квантовые вычисления».

Квантовые вычисления, которые будут сбивать с толку дедушек и бабушек будущего

Нет, квантовые вычисления не подразумевают использование крошечных компьютеров. Так называется новый подход к вычислительной мощности, в котором используются такие принципы, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность (об этом подробнее позже). Результат?

Мощный компьютер, размещенный в в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, будет использован для изучения того, как и могут ли квантовые эффекты ускорить решение сложных задач оптимизации, машинного обучения и выборки. (Фото инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, США)

Возможность обрабатывать данные со скоростью, превышающей возможности классических компьютеров, и с бесконечным количеством приложений. Самый продвинутый квантовый компьютер в мире в настоящее время находится в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, и, как и все ранние версии новых компьютеров, он до смешного огромен.

Ешь, молись, разбирайся в квантовой запутанности

Пожалуй, квантовая запутанность – это самая милая история любви в науке. Это измеримое явление показывает нам, что частицы могут быть связаны друг с другом независимо от физического расстояния. Допустим, есть две связанные частицы: одна – в Антарктиде, а другая – на Гавайях. Если вы измерите частицу на Гавайях, частица в Антарктиде среагирует на измерение.

Еще одно свойство квантовой запутанности – это своего рода отображение «притяжения противоположностей», при котором физические свойства (спин, положение и т. д.) связанных частиц всегда будут противоположными. Наконец, измерение одной частицы влияет на другую, и в этот момент все это складывается в долгожданный прорыв в уме каждого – в телепортацию.

Что по телепортации?

Поправка – квантовой телепортации! Пожалуй, самая желанная сверхспособность – телепортация – реальна. И все это благодаря квантовой запутанности. Как это работает? По сути, вы создаете два запутанных фотона и отправляете один из них на определенное расстояние через определенную среду (скажем, через 102 км оптического волокна).

Благодаря их запутанным состояниям вы можете определить, когда они будут находиться в противоположных состояниях, «фактически «телепортируя» злого близнеца фотона».

Но не спешите радоваться: если ученым удалось «взломать» оптоволоконную телепортацию информации, закодированной в свете, то пока с телепортацией материи все не так радужно. В ближайшее время вы точно не сможете повторить опыт Майка из фильма «Чарли и шоколадная фабрика», но дайте ученым шанс.

«Чтобы собрать миллион частей вместе, требуется много времени». И миллион – это именно столько, сколько еще предстоит изучить, учитывая научный разрыв между оптоволоконной телепортацией и телепортацией материи.

В поисках единой теории поля

Квантовая механика – сама по себе достаточно запутанная концепция. Но еще запутаннее ее делает мета-слой парадоксов: наука о вещах малых масштабов не работает вместе с наукой о вещах больших масштабов.

По отдельности обе теории могут многое объяснить, но только не в противопоставлении друг другу (как это происходит сейчас). Стремление к объединению всех теорий (также известное как «единая теория поля», или «теория всего») ставило ученых в тупик на протяжении поколений – справиться с этим не смог даже Эйнштейн.

Теория струн, или «Там, где начинается странное»

Сперва короткая и странная хронологическая ремарка: до 1960-х годов практически все были согласны с тем, что самые маленькие из самых маленьких строительных блоков, на которые мы до сих пор разделили Вселенную, – субатомные частицы – представляли собой. частицы. Но что такое частица? И почему ее открытие не объяснило такие вещи, как темная материя?

Работа ученого Джеффри Чу побудила его современников мыслить шире, чтобы рассмотреть другие конструкции, выходящие за рамки частицы. Это исследование в итоге переросло в теорию струн (как это обычно преподносится сегодня).

По сути, теория струн предполагает, что все состоит из одномерных вибрирующих объектов. От того, как ведут себя эти струны, зависит все – от силы тяжести до крошек батончика Кит Кат. И все же самый странный вывод заключается в следующем: если теория струн верна, то должны существовать дополнительные измерения. По крайней мере штук 26.

Наконец-то поговорим о параллельных вселенных

Теперь, когда мы рассмотрели измеримые явления, давайте поговорим о еще не измеримых, но совершенно потрясающих вещах – параллельных вселенных! Теория дочерней вселенной, основанная на вероятностях, а не на определенных фактах, предполагает, что для каждого возможного результата, любого возможного решения создается своя вселенная.

Простыми словами, в другой вселенной Брэд Питт и Анджелина Джоли все еще вместе, а кинолента «Спасти рядового Райана» выиграла «Оскар» в номинации «Лучший фильм».

Только не пугайтесь, если, попав в параллельную вселенную, вы будете завтракать недалеко от вашей собственной могилы.

И о путешествиях во времени

Кроме того, что путешествия во времени легли в основу одного из самых популярных эпизодов «Звездного пути: Вояджер», они делают нас моложе. Временные перемещения – одно из увлекательных последствий квантовой механики, заставляющее людей говорить что-то вроде: «Я бы переместился в прошлое и убедил бы Гитлера и дальше заниматься искусством #мотивация #никогданесдавайся».

Ученые успешно смоделировали отправку частиц назад во времени, но эта симуляция все еще далека от реальности, а телепортация вещей в будущее по-прежнему остается мутным делом. И это без учета всех парадоксов.

Но в любом случае, возможно, вся наша жизнь – это компьютерная симуляция

Теория, которая столь же утешительная в плохой день, как и ужасающая в хороший, – все мы можем просто жить в компьютерной симуляции. Гипотеза моделирования предполагает, что наша реальность – это достижение квантовых вычислений.

К сожалению, Морфеус еще не появился, чтобы рассказать нам об этом, поэтому нам просто придется довериться ученым, которые изучают эту теорию (пока мы слоняемся по клубам и ищем девушек с татуировками белого кролика). А до тех пор лучше держаться подальше от Хьюго Уивинга.