«Господь изощрён, но не злонамерен» (Альберт Эйнштейн)
«Неужели возможно, что природа так безумно запутана?» (Вернер Гейзенберг)
«Запутанность — это не просто одна из особенностей, а скорее определяющая характеристика квантовой механики, та, что заставляет нас полностью отойти от классического способа мыслить» (Эрвин Шрёдингер)
В 2022 г. Алан Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике «за эксперименты с запутанными фотонами, установившие нарушение неравенств Белла и положившие начало квантовой информатике». О важности этого события много говорили журналисты и популяризаторы науки, привлекая внимание громкими заявлениями о «доказательстве нелокальности», «второй квантовой революции» и о том, что «Эйнштейн был неправ». Но подавляющее большинство людей как не понимало, так и не понимает, о чём вообще идёт речь. На этой почве процветает квантовый мистицизм, распространяющий ошибочные представления о квантовой запутанности как о свойстве макроскопических объектов. Также пользуются популярностью конспирологические теории о том, что «учёные снова пытаются нас запутать» и на самом деле мир устроен намного проще. К сожалению, реальность не так проста, как нам хотелось бы, а наш мозг не был заточен эволюцией на понимание квантовой механики. Но я всё же попробую объяснить квантовую запутанность простыми словами без страшных формул.
Английское слово entanglement переводится на русский как «запутанность», но иногда встречается более удачные термины «спутанность», «перепутанность», «связанность» и «сцепленность». Квантовая запутанность – одно из самых странных и трудных для понимания явлений микромира. Это особая связь двух и более частиц, необъяснимая с точки зрения классической физики. Она напрямую следует из принципа квантовой неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно точно измерить координату частицы и её импульс или спин частицы и её поляризацию. Если частицы взаимодействовали или образовались в результате одного квантового события, их уже нельзя описать по отдельности, поскольку измерение состояния одной из них определяет результат измерения состояния другой, даже когда их разделяют световые годы. Это ставит под сомнение как минимум два фундаментальных физических принципа – реализма и локальности. Неужели физики доказали, что наша Вселенная нелокальна или нереальна?
Ни одна аналогия из классической физики не может точно передать смысл квантовой запутанности. Ирландский физик Джон Белл в своё время придумал аналогию «носки Бертлманна», заметив, что его коллега приходит на работу в носках разного цвета. Заранее предсказать цвет носков было невозможно, но если вы видели на левой ноге розовый носок, то вы точно знали, что на правой носок будет каким угодно, только не розовым. Сейчас о цвете носков уже не вспоминают, зато в интернете популярна формула «как только вы надеваете один носок на левую ногу, второй автоматически становится правым». Конечно, это очень упрощённый пример, но он хорошо показывает, что носок является симметричным, т.е. находится в суперпозиции правого и левого состояний, пока вы его не наденете. Но здесь всё же может возникнуть сомнение: а вдруг носки изначально знают, какой из них левый, а какой правый? В таком случае лучше заменить носки перчатками: допустим, кто-то отправил вам одну перчатку из пары, а вашему другу – другую. Открывая посылку, вы находите левую перчатку и сразу узнаёте, что у вашего друга – правая. Но от вашего измерения здесь ничего не зависит, перчатки изначально были правой и левой.
Именно в этом направлении мыслили Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен, когда формулировали знаменитый ЭПР-парадокс. В 1935 г. они написали совместную статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой подвергли сомнению фундаментальность принципа неопределённости Гейзенберга и выступили против копенгагенской интерпретации Нильса Бора и Макса Борна. Это была одна из самых жарких дискуссий в истории науки. Сторонники Эйнштейна считали, что реальность вполне определённа и детерминирована, несовершенны лишь наши модели и методы её познания. Сторонники Бора настаивали, что от инструментов познания ничего не зависит, поскольку реальность в принципе невозможно определить до конца – она подчиняется только вероятности. Но такой подход был слишком радикальным, чтобы все сразу его приняли. В переписке с Бором Эйнштейн придумал знаменитую фразу «Бог не играет в кости», а Бор ответил не менее знаменитым «не указывайте Богу, что ему делать». Впоследствии Эйнштейн написал:
«Вы верите в бога, играющего в кости, я – в полный закон и порядок в мире, который существует объективно и который я чисто умозрительным путём пытаюсь охватить. Я твёрдо верю, но надеюсь, что кто-нибудь откроет более реалистичный подход или более приемлемую основу, чем удалось сделать мне. Даже огромный успех, выпавший вначале на долю квантовой теории, не убеждает меня в том, что в основе всего лежит игра в кости, хотя я отчётливо сознаю, что Ваши более молодые коллеги сочтут это проявлением старческого возраста».
Кстати, словосочетание «жуткое дальнодействие» (spooky action at a distance) Эйнштейн придумал в 1947 г. в переписке с Максом Борном, имея в виду мгновенный коллапс волновой функции при измерении частицы экраном в опыте Юнга. По его мнению, волновая функция с одной стороны экрана не может «знать», что частица оставила след на другой стороне экрана. Впоследствии «жутким дальнодействием» стали называть именно квантовую запутанность, а нелокальность измерения объяснили тем, что коллапс волновой функции – не физический процесс, а всего лишь обновление вероятностей с точки зрения наблюдателя.
Эйнштейн считал, что квантовая механика – всего лишь приближённая модель, которая не может полностью описать состояние системы и точно предсказать результаты измерений проекции спина электрона. По его мнению, вероятности отражали только несовершенство наших измерительных приборов, на самом же деле значения спина были заранее детерминированы. Критикуя принцип неопределённости Гейзенберга, он привёл мысленный эксперимент с двумя частицами, образовавшимися вследствие распада третьей. Зная импульс исходной частицы и измерив импульс одной частицы из пары, мы получим информацию об импульсе второй частицы. Далее таким же образом можно узнать координату второй частицы, и тогда у нас будет полная информация о её состоянии, что нарушает принцип неопределённости. В другом варианте эксперимента можно приготовить два запутанных электрона, у которых полный спин равен 0. Спин измеряется двумя разными способами (вдоль оси X или вдоль оси Y) и принимает значение ½ или -½. Измерив направление спина первой частицы вдоль оси X, мы сразу узнаем направление спина второй частицы вдоль оси Y. Но, если принцип локальности остаётся в силе, квантовое состояние второй частицы ещё не разрушено. Измерив его вдоль оси Y, мы сразу же узнаем, что направление спина первой частицы противоположно. В итоге у нас есть проекция спина первой частицы на обе оси, что опять противоречит принципу неопределённости.
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена остаётся в силе до тех пор, пока мы строго придерживаемся двух основополагающих физических принципов: локальности и реализма. Принцип локальности (близкодействия) означает, что частицы взаимодействуют только путём прямого столкновения или посредством обмена другими частицами, скорость движения которых ограничена скоростью света. Нельзя просто так взять и мгновенно переместиться из одного места в другое. Принцип реализма в понимании физиков предполагает, что частицы наделены свойствами, которые существуют объективно до измерения, а при измерении можно определённо сказать, какое состояние было фактически получено, а какое – нет. Но ЭПР-парадокс разрешается, если отказаться от одного из этих принципов или хотя бы признать, что он не универсален. В первом случае можно допустить, что измерение состояния одной частицы мгновенно изменяет состояние второй, но это противоречит специальной теории относительности, запрещающей передачу информации со сверхсветовой скоростью. Во втором случае придётся признать, что реального направления спина не существует до измерения, есть только вероятность обнаружить частицу с определенной проекцией спина. Эйнштейн не мог согласиться ни с тем, ни с другим. По его мнению, запутанные частицы не могли находиться в суперпозиции, а должны были обладать скрытыми параметрами, то есть заранее «знать», какое у каждой из них будет состояние при измерении. Также теория скрытых параметров подразумевает наличие у частиц непрерывных траекторий.
Чтобы доказать, что будущее поведение запутанных частиц предопределено ещё до их разделения, Эйнштейн, Подольский и Розен предложили найти способ, как измерить скрытые параметры частицы косвенным путём, без воздействия на неё. При жизни Эйнштейна парадокс так и не был разрешён, поскольку никто не знал, как реализовать мысленный эксперимент на практике. Но в 1964 г. Джон Стюарт Белл вывел неравенства со скрытыми параметрами, нарушение которых в реальных экспериментах показало бы несовместимость принципов локальности и реализма. Он установил верхний предел силы корреляций между измерениями, при котором стандартная квантовая теория и теория скрытых параметров давали бы одинаковые предсказания. Последующие эксперименты Клаузера-Фридмана (1972) и Алана Аспе (1982) показали нарушение неравенств Белла. Это означало, что скрытых параметров действительно не существует до измерения, или наш мир нелокален и состояния запутанных частиц могут меняться быстрее скорости света. Последнее казалось более невероятным, поскольку с момента публикации Эйнштейном СТО в 1905 г. ни один эксперимент не опроверг аксиому о постоянстве и непреодолимости скорости света.
Большинство экспериментов по проверке неравенств Белла выглядит следующим образом. Сначала генерируется пара запутанных частиц, о которых известно, что их общий спин равен 0. Спин – это квантовое свойство, которое с большой натяжкой сравнивают с классическим моментом импульса. Главное, что он может принимать только дискретные значения: условно «вверх» или «вниз». Чтобы подтвердить нелокальную связь между запутанными частицами, их разносят по двум лабораториям, расположенным на большом расстоянии друг от друга. В каждой лаборатории есть магниты, которые определяют значение спина: частица с положительным спином полетит к северному полюсу, а с отрицательным – к южному. И если измерение одной из частиц показывает направление спина «вверх», то у второй автоматически получится «вниз». Но это не исключает возможность предварительного «сговора» запутываемых частиц о том, что у одной спин будет направлен «вверх», а у другой – «вниз». Чтобы исключить и такой вариант, учёные из обеих лабораторий вращают свои магниты и случайным образом выбирают три оси, вдоль которых измеряют спины. Если оба датчика стоят вертикально, одна частица отклоняется вверх, другая – вниз. Если датчики стоят горизонтально, одна частица отклоняется вправо, другая – влево. Если же датчики повёрнуты под углом 90° друг к другу (один вертикально, другой горизонтально), никаких корреляций не наблюдается. В итоге электроны не могут заранее договориться о направлениях, потому что их не знают заранее даже сами исследователи.
В другой версии эксперимента, проведённой Аланом Аспе в 1982 г. в научно-техническом центре Париж-Сакле, учёные измеряли поляризацию (направление колебаний электрического поля) двух запутанных фотонов. Поляризация может быть вертикальной, горизонтальной и диагональной (+45° или -45°). Сложение в равных пропорциях вертикальной и горизонтальной поляризаций даёт +45°, вычитание – -45°. Изначально оба фотона находятся в суперпозиции четырёх состояний. Затем они проходят через поляризаторы, то есть происходит измерение. Если у одного фотона вы измеряете вертикальную поляризацию, значит, у второго она автоматически будет горизонтальной. Но второй наблюдатель также может посмотреть в диагональном базисе, и он с равной вероятностью обнаружит +45° или -45°. Если же вы измерите диагональную поляризацию и получите +45°, то будете точно знать, что у второго наблюдателя -45°. Это подтверждает, что до момента независимого измерения состояния каждой частицы их можно описать только вероятностями.
Нарушение неравенств Белла в экспериментах Клаузера и Аспе ещё не означало, что на детерминизме можно поставить крест. Учёные нашли множество других «лазеек», каким образом запутанные фотоны могут заранее «договориться», какие им принимать значения спина, вплоть до гипотезы предопределённости выбора учёными оси измерения. Но все эти лазейки были закрыты одна за другой. Самым важным этапом стал эксперимент Антона Цайлингера, проведенный в 1998 г. в Институте экспериментальной физики Инсбрукского университета в Австрии с целью исключить т.н. лазейку выборки. В нём тоже использовались запутанные фотоны, но их пролёт длился гораздо дольше по времени, а измерение осуществлялось на основе истинно случайных чисел независимыми детекторами, синхронизированными по атомным часам. В 2015 г. независимые группы в Делфтском технологическом университете, Венском университете и Национальном институте стандартов и технологий (NIST) провели три эксперимента, устранив сразу несколько лазеек. Последние эксперименты в этом направлении должны были подтвердить истинную случайность измерения.
В 2016 г. в ходе «Большого эксперимента Белла» в 12 лабораторий на пяти континентах были направлены случайные числа, полученные на основе результатов онлайн-игры, в которую сыграли 100000 добровольцев. Все 13 поставленных экспериментов показали нарушение локального реализма, причём в экспериментах запутывались не только фотоны, но и одиночные атомы, группы атомов и даже сверхпроводящие устройства. В 2018 г. международная команда провела ещё один эксперимент, используя в качестве генераторов случайных чисел спектральные данные от двух квазаров, один из которых образовался 8 млрд лет назад, другой – 12 млрд лет назад. Неравенства Белла снова были нарушены, хотя квазары могли обменяться информацией не позже 7.8 млрд лет назад. После этого в теорию скрытых параметров продолжают верить только супердетерминисты и конспирологи, готовые признать, что эти скрытые параметры управляют действиями 100000 игроков со всех уголков планеты и что результат эксперимента был предопределён ещё на ранней стадии формирования Вселенной.
Когда физики окончательно разрешили спор Эйнштейна с Бором в пользу Бора, подтвердив тем самым правоту квантовой теории в целом, вокруг квантовой запутанности стали возникать всевозможные псевдонаучные спекуляции. На этот феномен ссылаются, чтобы доказать возможность обмена информацией быстрее скорости света, квантовой телепортации на другие планеты, путешествий во времени, юнговских синхроничностей и влияния на реальность силой мысли. Кто-то понимает запутанность как универсальную нелокальную связь всего со всем, подтверждающую голографическую природу Вселенной или существование других измерений. А кто-то верит в квантовую запутанность между «родственными душами» как основу телепатии. Эти заблуждения широко распространены до сих пор, хотя наука в вопросах квантовой запутанности уже давно расставила все точки над «i». Рассмотрим по пунктам, что является правдой, а что – мифами.
Миф №1. Сверхсветовая коммуникация. Квантовая запутанность не противоречит специальной теории относительности, потому что никакая информация быстрее скорости света не передаётся. Результат измерения одной частицы – это исключительно вопрос вероятности, вы не можете его заранее предсказать. Если Алиса отправит Боба с одной из запутанных частиц на Марс и проведёт измерение на Земле, она сможет точно узнать, что Боб получит результат, противоположный её результату. Но для Боба результат измерения будет непредсказуемым, если он не получит от Алисы сигнал, распространяющийся со скоростью света. В таком случае он узнает о результате Алисы, а Алиса о результате Боба – нет, пока Боб не отправит ей ответный световой сигнал. Так что межпланетной сверхсветовой коммуникации не получится. Но возможна квантовая телепортация, то есть передача состояния одной из двух запутанных частиц третьей частице.
Миф №2. Мгновенное дальнодействие. Со слов некоторых популяризаторов можно подумать, что измерение одной частицы мгновенно и независимо от расстояния определяет состояние другой. То есть вторая частица приобретает определённые свойства ещё до того, как её измерит Боб. Это невозможно, поскольку в квантовой механике частица в принципе не обладает определёнными свойствами до измерения. Суть в том, что результаты измерений двумя наблюдателями оказываются скореллированными, а вопрос «кто из них провёл измерение первым?», не имеет смысла. В СТО это называется относительностью одновременности в зависимости от системы отсчёта. Всегда можно найти такую систему отсчёта, в которой одно измерение происходит раньше, другое – позже.
Миф №3. Запутанность сохраняется навсегда. Нет. Квантовая запутанность – явление одноразовое, поэтому магический принцип «однажды в контакте – всегда в контакте» не работает. Нелокальная связь между частицами разрушается в результате измерения или взаимодействия хотя бы одной частицы с чем-то ещё. Это следует из фундаментальной теоремы о запрете клонирования квантового состояния. Наблюдатель может провести измерение только один раз, иначе он мог бы получить любое количество копий запутанной частицы, измерить спин каждой из них и посмотреть на статистическое распределение результатов. Соответственно если кто-то по пути перехватит частицу и измерит её, он тем самым прервёт связь. Это может происходить и случайно в результате взаимодействия запутанных частиц с окружением – декогеренции.
Миф №4. Запутанность макрообъектов. Стабильная квантовая запутанность возможна только для изолированных систем, состоящих из небольшого количества частиц. Не стоит рассчитывать получить и поддерживать запутанные частицы в такой хаотичной среде, как земная атмосфера или живой организм. Запутанность естественно возникает повсюду, но всего лишь на доли секунды. Сохранить её на более длительное время получается только в лабораторных условиях, в вакууме и при температурах, близких к абсолютному нулю. Разумеется, ни о каком целенаправленном запутывании макроскопических объектов не может быть и речи. Максимум, чего удалось достичь учёным – это ненадолго запутать колебательные состояния двух миллиметровых алмазов при комнатной температуре. Однако исследования квантовых биологов показывают, что квантовая запутанность поддерживается в сине-зелёных водорослях и в клетках фотосинтезирующих растений достаточно долго, чтобы запускать необходимые химические реакции.
Миф №5. Редкость квантовой запутанности. На самом деле всё наоборот: абсолютное большинство частиц во Вселенной находятся именно в запутанном (смешанном) состоянии, а незапутанные (чистые) состояния – редкое исключение. Запутанность возникает при каждом столкновении частиц, при распаде одной частицы на две или при расщеплении лазерного потока в нелинейном кристалле, запутанными являются электроны и ядра атомов. Но запутанность двух частиц разрушается, если хотя бы одна из них взаимодействует с окружающей средой, т.е. запутывается с чем-то другим.
Миф №6. Запутанность можно обнаружить, измерив одну частицу. Нет. Запутанность не является наблюдаемой величиной. Невозможно, измерив одну частицу, определить, запутана она с другой или нет. Чтобы обнаружить, что частицы запутаны, наблюдатели должны заранее договориться, что они будут проводить измерение каждый со своей стороны, и сверить результаты после измерения.
Миф №7. Нелокальная связь всего со всем. Запутанность двух частиц никак не затрагивает частицы вокруг этой пары, т.е. принцип нелокальности действует избирательно. В большинстве случаев запутанность возникает между двумя частицами одного типа, но в квантовых компьютерах создаётся запутанность трёх и более частиц, а в некоторых экспериментах удавалось запутать частицы разных типов или частицы и античастицы. Нелокальная связь запутанных частиц никак не зависит от расстояния, поэтому не может считаться особым видом взаимодействия. Как известно, гравитационное и электромагнитное взаимодействия убывают пропорционально расстоянию, а сильное и слабое взаимодействия сначала растут по мере увеличения расстояния, а потом исчезают.
Чтобы у вас не осталось иллюзий по поводу предопределённости и голографической «связи всего со всем», процитируем французского физика Николя Жизана. В книге «Квантовая случайность», сравнивая западную и восточную философию, он пишет:
«Прошло несколько веков, прежде чем атомистический взгляд на мир утвердился в Европе… В то же время в Китае этот взгляд на мир не нашел поддержки в
интеллектуальных кругах. Им казалось, что в мире, полном пустоты между атомами, мы бы не видели и не слышали, так как восприятие наших органов чувств подавлялось бы пустым пространством. Очевидно, что в древней китайской метафизике действие на расстоянии было вполне естественным и было свойством вселенской гармонии, которая связывала всё со всем. Квантовая физика не поддерживает такой холистический взгляд на мир. В квантовой физике не все запутано со всем и лишь некоторые редкие события коррелируют нелокальным способом. Кроме того, повторюсь, не существует причины, которая, находясь здесь, воздействовала бы на событие где-то там. Запутанность — это род «вероятностной причины», следствия которой могут проявиться в нескольких местах, не позволяя коммуникации на расстоянии. Запутанность определяет естественную склонность объектов производить те или иные коррелированные ответы на определенные вопросы. Эти ответы не предопределены, не записаны в состоянии объекта. Это просто записанная в самом состоянии объекта склонность выдавать такой-то и такой-то результат»
Также не следует понимать нелокальность как универсальный принцип, нарушающий запрет движения быстрее скорости света.
«природа недетерминистична и … способна на подлинный акт творения. Другими словами, она может создавать истинно случайные события. Кроме того, раз мы подхватили идею, что эти события нередуцируемо случайны и не предопределены какой-то скрытой от нас силой, мы понимаем, что ничто не может помешать этой случайности проявиться в нескольких местах одновременно, при этом не подразумевая какой-либо коммуникации между этими местами. Эти места не произвольны — они должны сначала быть запутаны. Запутанность переносится квантовыми объектами, такими как фотоны или электроны. Эти объекты движутся с конечными скоростями, меньшими или равными скорости света. В этом смысле понятия расстояний и пространства по-прежнему значимы, несмотря на то что нелокальная случайность может возникать в двух произвольно далёких друг от друга местах».
В 2016 г. Даниэла Фраухер и Ренато Реннер предложили расширенный вариант мысленного эксперимента «друг Вигнера» с двумя «вигнерами» и двумя «друзьями», каждый из которых измеряет одну из пары запутанных частиц. Учёные проанализировали, как бы эти персонажи рассуждали о результатах измерений друг друга, и пришли к выводу, что квантовая механика в нынешнем виде «не может последовательно описать использование самой себя», и что её «нельзя экстраполировать на сложные системы, по крайней мере, прямым способом». Проблема в том, что в некоторых случаях два друга не смогут прийти к согласию с двумя вигнерами о результатах измерений. То есть наблюдатели получают результаты измерений, которые не согласуются друг с другом. Такое возможно только при условии, что измерение не является физическим процессом. Кроме того, Фраухер и Реннер показали, что «одномировые интерпретации квантовой теории не могут быть самосогласованными». В 2018 г. Кацлав Брукнер вывел теорему о запрете фактов, независимых от наблюдателя. Если сравнивать утверждения различных наблюдателей в единой, независимой от наблюдателя, системе отсчёта, они будут противоречить друг другу.
В 2019 г. группа учёных из Эдинбурга проверила вывод экспериментально, используя в качестве «друзей» одиночные фотоны, а в качестве «вигнеров» - фотодетекторы. По итогам этих экспериментов в 2020 г. была сформулирована ещё одна теорема о запрете (no-go theorem), согласно которой одно из трёх утверждений ошибочно:
Отсутствие супердетерминизма (свобода выбора)
Локальность (близкодействие)
Абсолютность наблюдаемых событий (объективность результатов измерения)
Данная теорема вынуждает нас выбирать из трёх зол меньшее:
Супердетерминизм (асимметрия времени)
Нелокальность («жуткое дальнодействие»)
Относительность наблюдаемых событий (контрфактическая неопределённость)
Примечание: контрфактической определённостью (CFD) называют возможность осмысленно говорить о результатах измерений, которые не были получены, и рассматривать их наравне с фактическими результатами в статистических расчётах.
Каждая интерпретация квантовой механики решает эту трилемму по-своему. Копенгагенская интерпретация выбирает контрфактическую неопределённость, т.е. признаёт субъективность результатов измерения и вероятностную природу коллапса волновой функции. Многомировая интерпретация делает то же самое, хотя она даже фактически неопределённа и оспаривает сам постулат о коллапсе волновой функции. В некотором смысле ММИ обходит трилемму, допуская своего рода недо-реализм (волновая функция реальна, а результаты измерения субъективны), недо-локальность (корреляции между объектами из параллельных вселенных) и недо-детерминизм (детерминирован весь Мультивёрс, а не наблюдаемая вселенная). Обе интерпретации не считают нелокальность физически реальной и рассматривают корреляции между запутанными частицами как возможность наблюдателю моментально получать знание о том, что происходит в другом месте. Супердетерминизм сохраняет принципы локальности и реализма ценой полного отказа от свободы воли и независимости измерений, но в таком случае приходится признать, что природа может «заставлять экспериментаторов измерять то, что она хочет, и когда она хочет, скрывая то, что она не хочет показывать физикам». Некоторые интерпретации, как теория волны-пилота де Бройля-Бома, выбирают нелокальность как реальное свойство пространства-времени, допуская мгновенный обмен информацией между запутанными частицами. Однако все интерпретации квантовой механики сходятся в том, что запутанность создаёт корреляцию между измерениями и что у неё есть большой потенциал применения в квантовых коммуникациях, несмотря на запрет передачи информации на сверхсветовых скоростях.
Хотя… а что, если квантовую запутанность всё-таки можно использовать для сверхсветовых перемещений в пространстве-времени? Согласно гипотезе ER=EPR-дуальности, выдвинутой Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 г., запутанность двух частиц (ЭПР-парадокс) в квантовой теории дуальна микроскопической червоточине в пространстве-времени (мосту Эйнштейна-Розена) в общей теории относительности. Если бы речь шла о запутанных чёрных дырах, то два наблюдателя, пересёкшие горизонт событий каждый со своей стороны, встретились бы внутри чёрной дыры, даже если бы их разделяли световые годы. Разумеется, выбраться они бы не смогли, поскольку белых дыр в нашей вселенной не существует. Но на практике реализовать это всё равно невозможно, поскольку запутанность сохраняется только между чёрными дырами планковских размеров. Кроме того, невозможности наблюдать запутанность соответствует невозможность определить присутствие червоточины, соединяющей две черные дыры. Проще говоря, даже если гипотеза ER=EPR-дуализма верна, определить, является ли чёрная дыра входом в червоточину, невозможно, и для вас это всё равно будет путь в никуда.
Что касается сторонников теории де Бройля-Бома, рассматривающих запутанность как доказательство нелокальности и голографической природы Вселенной, то в чём-то они могут оказаться правы. Квантовую запутанность можно объяснить, рассматривая две частицы как одну, существующую в разных местах одновременно. Здесь нельзя не вспомнить гипотезу о Вселенной одного электрона, однажды предложенную Джоном Уилером в телефонном разговоре с Ричардом Фейнманом. Речь шла о том, что все электроны могут быть одним и тем же электроном со сложной самопересекающейся мировой линией в четырёхмерном пространстве-времени. Тогда вполне можно утверждать, что электроны являются всего лишь голографическими проекциями одного-единственного электрона, записанного на некой голографической пластинке. Но пока более удачной моделью описания реальности считается квантовая теория поля, которая характеризует отдельные электроны как локальные возмущения единого электронного поля.
Следующий шаг – создание квантовой теории гравитации, где запутанность, вероятно, будет играть ключевую роль. Сейчас большинство физиков-теоретиков, работающих над этой проблемой, склоняются к мысли, что геометрия пространства, времени и гравитации определяется именно запутанностью. В 1983 г. Дон Пейдж и Уильям Вуттерс нашли решение уравнения Уилера-ДеВитта, выведенного ещё в 60-х гг. в попытке объединить общую теорию относительности и квантовую механику, полностью исключив время. Пейдж и Вуттерс предложили рассматривать время как побочный продукт квантовой запутанности, помещающий все одинаковые показания часов (или любых объектов, которые можно использовать в качестве часов) в одну и ту же непротиворечивую историю. Позже, когда Хуан Малдасена сформулировал в рамках теории струн AdS/CFT-дуальность, Марк ван Рамсдонк выдвинул гипотезу, что четырёхмерное пространство-время является эмерджентным феноменом квантовых степеней свободы, которые запутаны между собой и записаны на трехмерной границе этого пространства-времени. Возможно, будущая теория квантовой гравитации покажет, что все наши представления о Вселенной неверны и что на самом деле она устроена совсем по-другому.
Таким образом, ЭПР-парадокс оказался вовсе не парадоксом, а фундаментальным свойством нашего мира. За последние 40 лет физики убедительно доказали, что между разнесёнными в пространстве запутанными частицами (фотонами, электронами и даже атомами) возможны нелокальные корреляции, как если бы две частицы были одной. На первый взгляд эти корреляции нарушают постулат специальной теории относительности о невозможности превысить скорость света. Но в действительности квантовая запутанность не противоречит СТО, поскольку с её помощью невозможно передать никакую информацию быстрее скорости света. Однако запутанность исключает существование у частиц скрытых параметров и требует одного из двух: отказаться от принципа локальности, согласно которому связь между удалёнными объектами возможна только при непосредственном взаимодействии, или отказаться от принципа реализма и признать, что свойства частиц не существуют до момента измерения. Это отнюдь не означает нелокальную связь всего со всем, реальность путешествий со сверхсветовой скоростью или отсутствие объективной реальности вне сознания наблюдателя. Квантовая запутанность – явление очень хрупкое и одноразовое. Тем не менее, исследователи с каждым годом разносят запутанные частицы на всё бОльшие расстояния, поддерживают запутанность на дольшее время и запутывают всё большее количество частиц, что открывает широкие перспективы применения запутанности в сфере квантовых коммуникаций. О квантовых вычислениях и квантовой телепортации я расскажу в следующей статье.
Комментарии (48)
Radisto
01.09.2023 10:02Прошу прощения за занудство
Кстати, словосочетание «жуткое дальнодействие» (spooky action at a distance) Эйнштейн придумал в 1947 г. в переписке с Максом Борном
Если выражение в скобочках - это ссылка на слова Эйнштейна, то он, кажется, использовал термин "spukhafte Fernwirkung"
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Спасибо за уточнение, хотя в скобках я привёл английский перевод фразы.
kauri_39
01.09.2023 10:02Последующие эксперименты Клаузера-Фридмана (1972) и Алана Аспе (1982) показали нарушение неравенств Белла. Это означало, что… наш мир нелокален и состояния запутанных частиц могут меняться быстрее скорости света…
Миф №2. Мгновенное дальнодействие. Со слов некоторых популяризаторов можно подумать, что измерение одной частицы мгновенно и независимо от расстояния определяет состояние другой. То есть вторая частица приобретает определённые свойства ещё до того, как её измерит Боб. Это невозможно...Как всё запутано и противоречиво.
в квантовой механике частица в принципе не обладает определёнными свойствами до измерения.
То есть прав был Эйнштейн и компания, ставя вопрос "Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?" Ну, а если откроют менее травмирующий носитель информации, чем фотон? Тогда неопределённость Гейзенберга и вероятностное описание событий в квантовом мире уйдёт в историю.
Понятно, что электрон — это частица, а не облако его вероятного нахождения. И что спины запутанных фотонов в любой момент времени имеют вполне конкретные противоположные значения, а не пребывают в суперпозиции этих значений. Отсутствие возможности знать конкретное значение спина до измерения не отменяет его наличия в реальности. Как невозможность лисы допрыгнуть до винограда не отменяет его съедобного свойства. Как говорил Эйнштейн, Луна существует и тогда, когда на неё не смотрят.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Нет, Эйнштейн был неправ. Луна может и существует как макрообъект, когда на неё не смотрят, а вот частица до момента измерения действительно не обладает определёнными свойствами. Я же перечислил эксперименты, которые опровергают теорию скрытых параметров. Никакие слабые измерения тут не помогут, да я и не представляю, что может быть "менее травмирующим", чем прохождения фотона через поляризатор.
Как всё запутано и противоречиво.
Не вырывайте слова из контекста. Нарушение неравенств Белла означало, что нужно отказаться или от реализма, или от локальности. Сейчас большинство физиков выбирают первое, поэтому я тоже считаю нелокальность в бомовском понимании мифом. К тому же наличие корреляций не противоречит СТО.
kauri_39
01.09.2023 10:02+1кто-то отправил вам одну перчатку из пары, а вашему другу – другую. Открывая посылку, вы находите левую перчатку и сразу узнаёте, что у вашего друга – правая. Но от вашего измерения здесь ничего не зависит, перчатки изначально были правой и левой. Именно в этом направлении мыслили Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен...
В этом они ошибались: фотоны не сохраняют свои изначальные спины, как сохраняют свою лево-правую ориентацию перчатки в посылках. В КМ принято считать, что у запутанных фотонов суперпозиция спинов. То есть они произвольно и синхронно меняются — до момента измерения фотонов.
Эти две гипотезы и проверялись в неравенствах Белла, как написано в Википедии: "из работы Белла следовали две однозначно распознаваемые ситуации при статистических измерениях состояний запутанных частиц. Если состояния двух запутанных частиц определённы в момент разделения, то должно выполняться одно неравенство Белла. Если состояния двух запутанных частиц неопределённы до измерения состояния одной из них, то должно выполняться другое неравенство."Неопределённость состояний означает неизвестность конкретного состояния частицы в произвольный момент времени, а не отсутствие этого состояния. Это как неизвестность конкретных координат электрона не означает их отсутствие у этой частицы и не превращает электрон в облако. Поэтому есть неизвестный нам реализм в квантовом мире, и есть вероятностное проявление этого реализма. Как есть просто шахматы и квантовые шахматы.
Сверхсветовым носителем информации могут быть продольные волны вакуума. После открытия поперечных (гравитационных) волн вакуума об их существовании следовало бы задуматься.dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02+1Неопределённость состояний означает неизвестность конкретного состояния частицы в произвольный момент времени, а не отсутствие этого состояния.
Принцип неопределённости по-вашему тоже означает неизвестность конкретного состояния? Ну да, и волновая функция...
Поэтому есть неизвестный нам реализм в квантовом мире, и есть вероятностное проявление этого реализма.
Я тоже реалист, но в философском смысле, а не в физическом, как Эйнштейн. Объективная реальность существует, но она включает в себя все возможные состояния, а не одно полученное при измерении.
Сверхсветовым носителем информации могут быть продольные волны вакуума. После открытия поперечных (гравитационных) волн вакуума об их существовании следовало бы задуматься.
Вакуум не является средой, какие ещё продольные волны?
kauri_39
01.09.2023 10:02В космосе между космическими телами и в атоме между его ядром и электронами есть одно из двух: или абсолютная пустота или среда, третьего не дано. Это метод исключённого третьего. Правильный ответ выбрали уже давно — с открытия Лэмбовского сдвига электронов, эффекта Казимира и ускоренного разлёта скоплений галактик. Всё это делает не пустота, а среда. Её можно называть как угодно: эфиром, тканью пространства-времени, физическим (космическим) вакуумом — в зависимости о чём идёт речь, и какой термин принят в данном кругу обсуждения.
По моим представлениям эта среда обладает громадной плотностью энергии, которая в космологическом расширении проявляет антигравитационное свойство. Ведь она с одинаковым ускорением движет друг от друга скопления галактик с их чёрными дырами, нейтронными звёздами и менее плотными газовыми туманностями. Поэтому в названии среды я выбираю физический вакуум, которому в КТП насчитывают почти планковскую плотность энергии. А поскольку, повторю, открыты поперечные волны этой среды, возникающие при слияниях чёрных дыр, то должны быть и сверхсветовые продольные волны среды. Допустим, при переходах электронов с орбиты на орбиту, когда они излучают/поглощают фотоны и их масса (энергия) мгновенно меняется.
Объективная реальность существует, но она включает в себя все возможные состояния, а не одно полученное при измерении.
А что такое "все возможные состояния реальности"? Мы постигаем реальность теоретическим и опытным путём, создаём её модели — от философских до математических, отражаем её в своём коллективном сознании. И объективная реальность развивается вместе с нами, материя эволюционирует, и мы часть этого процесса.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Её можно называть как угодно: эфиром, тканью пространства-времени, физическим (космическим) вакуумом — в зависимости о чём идёт речь, и какой термин принят в данном кругу обсуждения.
Эфир в классической электродинамике, пространство-время в теории относительности и вакуум в КТП - совершенно разные понятия. Квантовое поле не является средой, в которой распространяются волны. Электромагнитные волны - колебания самого поля, гравитационные волны - колебания самого пространства-времени. И те, и другие движутся со скоростью света.
А что такое "все возможные состояния реальности"?
Я считаю объективно существующим всё, что входит в наши лучшие теоретические модели реальности. Лучшим описанием квантового мира является волновая функция, значит, все её компоненты тоже реальны, и мы живём в Мультивёрсе.
kauri_39
01.09.2023 10:02-1Вы правы в том, что эфир, пространство-время и вакуум — это совершенно разные понятия в своих частных физических теориях (электродинамика, ОТО, КТП). Но все эти понятия раскрывают свойства одного и того же объекта изучения — среды. Ну, помните про слепых мудрецов, которые с разных сторон ощупывали слона? Так и здесь. Выбор между абсолютной пустотой и физической средой сделан в пользу среды, а какая теория и с какой стороны "ощупывает" этого "слона" — это дело причастных к ней "мудрецов". Философы обязаны интегрировать добытые учёными знания в общую картину мира.
Я считаю объективно существующим всё, что входит в наши лучшие теоретические модели реальности.
Это невозможно: ОТО и КТП, как основы "наших лучших моделей", противоречат друг другу о оценке значения плотности энергии вакуума (проблема космологической постоянной). Поэтому в LCDM-модели нет вакуума с почти планковской плотностью, а в ММИ он есть. Чтобы не выбирать "из двух зол меньшее", можно придумать свою, хотя бы философскую модель мира. Например, после крушения своего советского мировоззрения я придумал пятимерный мультиверс.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Фотоны - разумные вселенные? Серьёзно?
Я не против философских концепций, сам раньше придумывал "теории всего". Главное, чтобы они не противоречили экспериментальным фактам и объясняли весь массив наблюдательных данных. Пока ничего лучше ОТО и КТП нет, хотя они и не согласуются друг с другом. Думаю, квантовая гравитация заставит нас отказаться и от вакуума, и от пространства-времени. Мы не способны выйти за пределы классического мышления в категориях объектов, среды, расстояния и объёма. А на фундаментальном уровне всего этого нет, есть только информация. Поэтому лучше не фантазировать о бесконечно вложенных мирах, а сразу представить себе Вселенную как строку битов.
kauri_39
01.09.2023 10:02-1Если эта гипотеза подтверждается фактами, то уж куда серьёзней. Необычно, непривычно — это да, но не более, чем и то новое, что принесли с собой ОТО и КМ. Пятимерный мультиверс можно считать "философским расширением" фридмонной теории, согласно которой элементарные частицы "изнутри" выглядят как вселенные, а вселенные "снаружи" выглядят как элементарные частицы. Популярно о ней писал академик В.С. Барашенков в книге "Вселенная в электроне".
Согласен с вами, что "пока ничего лучше ОТО и КТП нет", ведь это физические теории, которые используются в нашей жизни. Их несовершенства побуждают учёных к созданию общей физической теории, к теории квантовой гравитации. Правда, путь к ней оказался очень извилистым — через петли и струны — и не в том направлении. Хотя природа гравитации легко открывается из принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы.
Кстати, о "строке битов". Ими тоже можно выразить эволюцию материи в нашем мультиверсе: 0000 — кварки, 0001 — адроны, 0010 — атомы, 0011 — молекулы, 0100 — клетки, 0101 — организмы, 0110 — цивилизации, 0111 — федерации или разумные вселенные, 1000 — кварки (системы федераций во вселенных следующего масштаба пространства-времени).
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Ну и фантазия у вас! Я тоже одно время игрался с бесконечной вложенностью и фрактальным самоподобием миров, но потом узнал, что материя дискретна, как и само пространство-время, скорее всего. И вся эта масштабная иерархия сразу рухнула.
kauri_39
01.09.2023 10:02Есть немного, я левша. Помогает образная логика — установление общей причинно-следственной динамики в исследуемом явлении и в известном, подобном ему. Соблюдаю последовательность мышления, пользуюсь методом исключённого третьего.
Мой мультиверс, наоборот, стоит на дискретности материи и вакуума. Весь мир — это борьба за выживание квантов материи (фотонов) в энергетически плотной среде. Она начинается с постоянной ликвидации фотонами квантов вакуума, что объясняет постоянное движение фотонов и их энергию. И продолжается в наблюдаемой эволюции материи, двоичную блок-схему которой привёл выше.
Элементы каждой новой формы материи имеют резко увеличенный объём внутренней среды — упорядоченного пространства-времени. Главное, успеть создать разумную вселенную до начала взаимного сжатия вселенных. Тогда она станет фотоном в этом вакууме вселенной следующего масштаба. И выживет в нём — тоже будет ликвидировать давящие на неё кванты внешней среды. А наши потомки будут участвовать в организации эволюции материи во вселенной следующего масштаба. Начнут с установления в ней "животворных" фундаментальных параметров...
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Вообще-то дискретность означает предел делимости, в противоположность континуальности - делимости на бесконечное количество частей. Если материя и пространство дискретны, значит есть минимальная длина - длина Планка. Частица с планковской длиной волны будет обладать такой энергией, что коллапсирует в чёрную дыру. А количество информации (энтропии) чёрной дыры ограничено пределом Бекенштейна.
Кстати, ваши идеи насчёт борьбы за выживание и создание новых вселенных перекликаются с теорией Ли Смолина о космологическом естественном отборе и образовании внутри чёрных дыр дочерних вселенных. Интересное направление для философских поисков, весьма советую для изучения.
kauri_39
01.09.2023 10:02Странно, в моём понимании, сверенном с Вики, "Дискре́тность (от лат. discretus — разделённый, прерывистый) — это свойство, противопоставляемое непрерывности, прерывистость. Синонимы к слову дискретный: корпускулярный, отдельный, прерывистый, раздельный и т.п." И соответственно "Конти́нуум (от лат. continuum — непрерывное) — непрерывное, сплошное; непрерывная совокупность; объект, обладающий определёнными свойствами непрерывности; непрерывность при многообразии элементов." О пределе в дискретности ничего не говорится. Как и о бесконечности в континуальности.
В планковских масштабах ОТО не работает, но можно видеть по нашей Вселенной, что в ней кванты материи (фотоны) вполне стабильны. Кванты вакуума (пространства) менее стабильны, но постоянно пополняются из 5-го измерения.
Можно быть солидарным с Ли Смолиным по поводу "космологического естественного отбора". Пожалуй, это самый жестокий, безжалостный отбор. Ведь гораздо меньшее число вселенных успевает стать разумными до их взаимного сжатия. А их основная часть становится квантами пространства во вселенной следующего масштаба. И в них начинается рост плотности вакуума с обратной эволюцией материи, все их обитатели погибают.
Что может происходить внутри чёрных дыр — можно лишь гадать. Но недавно установили непрерывный рост массы СМЧД в галактиках, который продолжается и после исчерпания окружающей их материи. От сумашедшей гипотезы британских учоных, что СМЧД — источники тёмной энергии для Вселенной, меня спасает другая гипотеза. Вблизи и внутри ЧД очень низкая плотность энергии вакуума. Поэтому некоторые из его новых квантов — вселенных предыдущего масштаба — получают достаточно времени для своего дополнительного расширения. И соответственно идущая в них эволюция материи успевает пройти полный цикл — такие вселенные становятся разумными или фотонами. Их энергия, конвертируемая в массу, идёт на непрерывный рост массы ЧД, что и наблюдается. Если Смолин имел ввиду образование внутри ЧД таких вселенных, то он прав. Пожалуй, надо познакомиться с его теорией.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Вот-вот, знакомьтесь пока с теорией Смолина, можете ещё почитать про голографический принцип и про апории Зенона. А я буду писать статьи и видео записывать на эти темы, не пропускайте!
AYamangulov
01.09.2023 10:02+2частица до момента измерения действительно не обладает определёнными свойствами
Не понимаю, что здесь может смущать кого-то. Люди просто открыли тот принцип, что некие свойства объектов реальности, в данном случае частиц, включают в себя саму процедуру получения/измерения значений этих свойств - как некий процесс взаимодействия с измерительной установкой/внешней по отношению к частице реальностью, вне какового процесса это свойство не может быть определено ВООБЩЕ. Естественно, что если предположить, что дважды два четыре, а затем непротиворечиво преобразовать это утверждение произвольно сложной цепочкой логических заключений, то можно снова прийти к тому, что дважды два это четыре )) А вы полагали, что свойства частиц существуют как сферический конь в вакууме, в некоем безусловном абсолюте? Вне взаимодействия нет существования, вне измерения нет "свойств", это очевидно. Объекты взаимодействуют согласно своей природе и только изучая это взаимодействие мы из полученных данных о нем конструируем некую "модель" со "свойствами". Если модель расходится с данными, создаем новую, более точную модель. Путаница возникает только когда мы слишком всерьез принимаем очередную промежуточную модель, особенно, когда пытаемся проводить "интуитивно понятные" аналогии, типа классического линейного непрерывного времени или классического локального взаимодействия, или даже пытаясь как-то словами описать "запутанность", спотыкаясь на каждом шагу, вместо того, чтобы просто работать с моделью, как с моделью, математически. Никогда и нигде невозможно в принципе провести измерение, не влияющее на измеряемые объекты, это следует из самой сути бытия. Ни одна модель не может быть окончательной, это очевидно, так как мир не исчерпаем. Ни одна поверхностная словесная аналогия не отражает богатства сложной физико-математической модели, только запутывая читателей в бесплодных попытках красивой популяризации такого уровня физики, какой уже невозможно чрезмерно наглядно упростить в словесном описании ))
NeoCode
01.09.2023 10:02Понятно, что электрон — это частица, а не облако его вероятного нахождения.
Почему понятно? Что вообще есть электрон и что есть вообще частица? Вот допустим какая форма и размеры у электрона? Можно ли сказать что в точке (x,y,z,t) электрон есть, а в точке (x+dx, y, z, t) - уже нет, если dx брать сколь угодно малым?
Я могу ошибаться, но мне представляется, что электрон - это скорее какое-то энергетическое поле, у которого есть функция зависимости напряженности от расстояния. А если он еще и в составе атома - то его "форма" меняется, он уже не шарообразная "частица" а "облако"; энергетическое поле как-бы размазывается в пространстве вокруг ядра, приобретает достаточно сложную конфигурацию.
AYamangulov
01.09.2023 10:02+2Правильный ответ - "в таком-то диапазоне событий при измерении таких-то эффектов с такой-то точностью электрон достаточно точно ведет себя, как частица", "в таком-то наборе измеряемых эффектов в таких-то диапазонах модель электрона как облака вероятностей наиболее точно отражает измерения в сравнении с другими моделями" и так далее. И поскольку диапазоны этих измерений могут в значительной степени не пересекаться, то НЕТ ответа, что такое электрон. Мы МОЖЕМ СЧИТАТЬ его частицей, облаком, волной, возмущением поля и так далее, тогда, когда результат использования одного из этих подходов нас устраивает с приемлемой точностью предсказания его поведения для текущих задач. Нет и никогда не будет абсолютного ответа, что он такое "на самом-то деле" )))
kauri_39
01.09.2023 10:02Давно установлено, что электрон и фотон — это частицы, обладающие волновыми свойствами. Они занимают свои места в Стандартной модели частиц. В экспериментах и на практике у них проявляется корпускулярно-волновой дуализм. Игнорировать одни или другие свойства электрона — значит отвергать научный опыт, что не рекомендуется.
В своих философских исследованиях я представляю электрон в виде фотона, который перешёл от своего прежнего линейного движения к вращению по орбите с малым радиусом. Орбита не замкнута, а смещается в сторону движения электрона с досветовой скоростью. Поэтому фотон в таком вращательном состоянии уже имеет массу покоя, присущую электрону. Если он повстречается с позитроном — фотоном, вращающемся в обратную сторону, то оба фотона сменят своё вращение на прямолинейное движение — так происходит аннигиляция -е и +е. По-моему, такие фантазии не противоречат опытным данным.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02+1В Стандартной модели никакого корпускулярно-волнового дуализма нет, это устаревшее понятие. Электрон и фотон - колебания квантовых полей, т.е. волны, которые при измерении проявляют свойства частиц. Ваши философские фантазии оставлю без комментариев, ибо кринжово.
phenik
01.09.2023 10:02В Стандартной модели никакого корпускулярно-волнового дуализма нет, это устаревшее понятие.
Вы можете привести источники, где утверждается, что в КТП отказались от концепта частицы? Желательно известных авторов. Обычно такие заявления делают сторонники ММИ, в соответствии со своими представлениями. Дело в том что концепт частицы уже давно не понимается так, как он понимался в классике, как материальная частица, тело. А понимается обобщенно, как локализованный в пространстве набор некоторых свойств. Определение, как локализованный пакет волн вполне укладывается под такое понимание. Сам этот концепт пока в принципе не устраним из физического описания, т.к. на практике квантовые явления проявляют себя, как частицы, даже когда исследуются их волновые проявления. Как это было, например, с концептами эфира или теплорода в 19 в. от которых отказались в связи с тем, что они перестали соответствовать экспериментальной практике того времени. Т.е. использование этого термина не дань привычке, удобства, и т.п., а необходимость продиктованная текущей практикой в области физических исследований. Другими словами, пока ВФ не обнаружат как отдельную физическую сущность, а не как результат стат. измерений распределений отдельных испытаний в экспериментах, корпускулярно-волновой дуализм из физики ни куда не денется, а ВФ будет оставаться элементом описания квантовых явлений.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Называть локализованный пакет волн классическим понятием "частица" некорректно, это приводит к путанице. В КПТ ничего не изменится, если назвать элементарные частицы "частолнами", "волницами" или просто квантами. В любом случае речь идёт о колебании квантового поля, всё остальное - игра слов.
ВФ в принципе ненаблюдаема, что значит "обнаружить как отдельную физическую сущность"? Контрфактическое вычисление можно считать подтверждением реальности ВФ?
phenik
01.09.2023 10:02+2Называть локализованный пакет волн классическим понятием "частица" некорректно, это приводит к путанице. В КПТ ничего не изменится, если назвать элементарные частицы "частолнами", "волницами" или просто квантами. В любом случае речь идёт о колебании квантового поля, всё остальное — игра слов.
Не нужно изобретать новые термины без надобности, возбуждения полей являются частицами, хотя с формальной точки зрения они сводятся к описанию полей. Тем не менее они не исчезают из квантового описания как и дуализм. Более того возможно, что во время взаимодействий свойства частиц не сводятся к свойствам полей, цитаты из одной из работ на эту тему:
Elementary particles supervene on fields as discrete, compresent units (sets of properties, necessarily including mass, spin, and energy-momentum, and contingently various charges); although they have space-time propagation possibilities described by the field-disturbances integrated over all space-time and involving the same properties, this propagation is not over strictly spatially localized regions or as distinct plane waves that correspond to free-field quanta—as just noted, the values of all the above properties do not necessarily correspond in a one-to-one relation…
The traditional notion of the elementary particle as a simple free-field excitation of a quantum field fails to be valid in any physical situation in which interactions are taking place; due to the omnipresence of interactions between particles, a harmonic-wave description of field propagation can only approximately apply to what are very nearly free fields. Under general circumstances, field behavior for its part is only well described generally by less orderly distributions, for example, the field propagators appearing in the proba bility amplitudes of the perturbation-theoretical method of predicting the particle-state transitions of scattering processes…
In general, such particles interact with one another via other particles and depend on underlying field disturbances which, however, go “off-mass-shell” during interaction as can be seen in the indeterminacy of energy within the finite times of individual interaction events. The flux of particles is, nonetheless, accounted for in accordance with conservation laws for mass-energy, spin, and the charges involved. One sees that both fields and particles exist and jointly constitute the ontology of relativistic interacting field theories such as those of the Standard Model of particle physics…Предполагаются возможные пути работы в таком направлении. Дуализм обобщается на многочастичные системы.
Списывать частицы и дуализм пока рано, они имеет под собой основания связанные с методологией познания в физике. В частности, концептуальных моделях, как КМ, так и КТП, как ее обобщения. Концептуальные модели теорий шире нежели их формальные модели, т.к. они основываются не только на эмпирических данных, но и некотором метафизическом базисе имеющем классические корни, связанные с эволюционным наследием. Однако это требует объяснений, которые не изложить несколькими фразами, если интересно, напишу подробнее.
ВФ в принципе ненаблюдаема, что значит "обнаружить как отдельную физическую сущность"?
Есть попытки доказать объективность ее существования. Однако онтологический уровень КТП определяется ее концептуальной моделью, а не формальной, к которой относится ВФ. Чем он определяется, вероятно, найдет объяснение в общепринятой подтвержденной фундаментальной физической теории субквантового уровня, которой пока нет. Как, например, описание ньютоновской гравитации, как предельного, плоского случая онтологии искривленного пространственно-временного континуума ОТО. Однако логично предполагать, что и это не конечный пункт в объяснении.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02ОК, спасибо за ссылки. Я не спорю, что с корпускулярно-волновым дуализмом уже покончено, но как сторонник ММИ считаю ВФ объективно реальной, а её коллапс и возникающие при этом корпускулярные свойства - субъективными результатами измерения. Конечно, вопрос вряд ли будет решён до появления теории квантовой гравитации, а до тех пор приходится следовать принципу дополнительности Бора. Однако теория всего не будет полной без включения контрфактических сценариев - в этом я уверен на 93%.
uhf
01.09.2023 10:02Допустим у нас есть курица, несущая яйца парами. Яйца в парах выглядят совершенно одинаково. Мы разносим их подальше друг от друга, разбиваем по очереди — и всегда одно яйцо оказывается сырым, другое вареным. Другим путем определять состояние яйца мы не умеем, наука еще не доросла.
Можно придумать несколько объяснений данному факту. Наиболее очевидное — яйца уже из курицы выходят разными. Но еще есть теория, что целые яйца находятся в неопределенном состоянии и переходят в сырое или вареное только при разрушении. При этом яйца в парах как-то передают друг другу информацию, чтобы после разбития они были всегда разными. Звучит как бред, но один бородатый чувак составил неравенства, это доказывающие, и эксперименты подтвердили.
Вот если подумать, чем отличаются эти гипотезы? В первой, состояние второго яйца определяется еще до выхода из курицы. Во второй — позже, после того, как разбили первое. Но все равно до того, как его измерили, т.е. разбили. И вот теперь в момент "измерения" нам надо понять, стало ли второе яйцо таким уже давно, или недавно? Можно ли это определить, имея в запасе только одно "измерение"? Заглянуть в прошлое? Здравый смысл говорит мне, что это невозможно.
А что же неравенства Белла и эксперименты? Я пытался их понять. Там странные вещи происходят — направление спина фотона раскладывается на три проекции, как будто они независимые параметры, которые затем квантуются неизвестно как под углами в поляризаторах, далее для них вычисляются и сравниваются вероятности. В итоге получаем какие-то числа, которые не сходятся, но если поверить в квантовую теорию, то сходится. Хотелось бы более простых и убедительных доказательств для профанов типа меня.
Вот если бы научились "измерять", не воздействуя на объект измерения и не изменяя его состояние необратимо, многое бы прояснилось.dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Во второй — позже, после того, как разбили первое. Но все равно до того, как его измерили, т.е. разбили. И вот теперь в момент "измерения" нам надо понять, стало ли второе яйцо таким уже давно, или недавно?
Вы неправильно поняли запутанность. Состояние как первого, так и второго яйца становится определённым только тогда, когда их разбивают. Никакая информация никуда мгновенно не передаётся. Кто первый разбил своё яйцо, или это произошло одновременно - зависит от системы отсчёта. В любом случае для установления корреляции нужно обменяться локальными сигналами со скоростью света.
Вот если бы научились "измерять", не воздействуя на объект измерения и не изменяя его состояние необратимо, многое бы прояснилось.
Я бы на вашем месте не надеялся на слабые измерения. Даже если каким-то чудом научатся возвращать измеренную частицу обратно в суперпозицию и тем самым выбирать результат измерения, это будет доказывать не наличие скрытых параметров, а их отсутствие.
uhf
01.09.2023 10:02Состояние как первого, так и второго яйца становится определённым только тогда, когда их разбивают. Никакая информация никуда мгновенно не передаётся.
Но есть мгновенное влияние (дальнодействие) измерения одной частицы на другую. Именно этим дальнодействием квантовая механика объясняет корреляцию измерений, а эсперименты Аспе и последователей также нацелены на доказательство присутствия дальнодействия, которое выражается в нарушении неравенств Белла.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Нет никакого мгновенного дальнодействия, если признать, что свойства частиц не существуют до измерения. Это каждый наблюдатель при измерении мгновенно узнаёт, какой результат будет у второго наблюдателя. Но знание само по себе не имеет смысла, пока наблюдатели не сверят свои результаты.
uhf
01.09.2023 10:02Ну как же. Когда первый наблюдатель проводит измерение, он мгновенно узнает, какой результат будет у второго наблюдателя. Значит — вторая частица в этот момент приобретает какие-то свойства, которые предопределят ее состояние в момент измерения вторым наблюдателем. Либо она эти свойства до этого имела. Тут или скрытые параметры, или дальнодействие — другого не дано.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Значит — вторая частица в этот момент приобретает какие-то свойства, которые предопределят ее состояние в момент измерения вторым наблюдателем.
Не значит. Само выражение "в этот момент" применительно к удалённым объектам не имеет смысла. Одновременность относительна. В одной системе отсчёта первым измерил наблюдатель №1, в другой - наблюдатель №2, а в третьей они измерили одновременно.
Скрытые параметры - это локальный реализм, дальнодействие отрицает локальность. Что ещё можно отрицать? Правильно, реализм.
DrSmile
01.09.2023 10:02+1Третье: с точки зрения ММИ, первый наблюдатель в момент измерения переходит в состояние Шредингера, вторая частица как была запутанной, так и остается, только уже не с одной частицей, а с первой частицей и ее наблюдателем (и всей их окрестностью, ибо декогеренция). Т. е. предопределено не то, какое состояние частицы может измерить второй наблюдатель, а то, с какой копией второго наблюдателя после измерения может встретиться каждая конкретная копия первого.
murkin-kot
01.09.2023 10:02+2Вы неправильно поняли запутанность
Это вы не сумели правильно объяснить.
Например:
природа недетерминистична и … способна на подлинный акт творения
Зачем писать вот такую кашу из псевдонаучных заявлений? Какой, к чертям, акт творения? О чём это всё? Вы, будучи (судя по вашей подписи) философом, копирайтером, видеоблогером, почему-то не понимаете простую вещь - не надо людям сложного. То есть не нужно вводить какие-то произвольные сущности, не имеющие отношения к теме (вроде акта творения, который можно интерпретировать вообще как угодно).
Вы скажете, что это чья-то там цитата для упрощения понимания, но я вижу, что вся статья состоит из таких цитат, совершенно не приближающих к пониманию.
Вот ещё пример:
Копенгагенская интерпретация выбирает контрфактическую неопределённость
Человек, не знакомый с определение каждого из приведённых слов, не поймёт без существенных дополнительных усилий, о чём вообще речь. И последующее пояснение:
т.е. признаёт субъективность результатов измерения и вероятностную природу коллапса волновой функции
не добавляет понимания. Что такое субъективность? Какое определение в применении к заданной теме у данного термина? Чем вероятностная природа отличается от какой-то другой? Какие другие виды "природы" бывают? Ну и так далее.
В итоге из всей статьи понятно одно:
За последние 40 лет физики убедительно доказали, что между разнесёнными в пространстве запутанными частицами (фотонами, электронами и даже атомами) возможны нелокальные корреляции
То есть физики считают, что они что-то там убедительно доказали. Ну ладно, пусть физики считают, но вы же поставили себе вот такую цель:
Но я всё же попробую объяснить квантовую запутанность простыми словами без страшных формул.
И в результате ничего не объяснили. Если не считать объяснением указанное выше утверждение про неких физиков.
В конце-концов, вам в комментарии выше было очень просто показано, как можно разделить два варианта объяснения квантовой запутанности, но вы отказались от такого простого варианта, переведя рассуждение в сторону произвольно введённых в ответ наблюдателей. Не от того ли, что автор комментария прямо указал - невозможно понять, в какой момент частица получает интересующие нас свойства? То есть вы ушли от ответа на сложный вопрос. И скорее всего, ушли из-за того, что у вас самого нет понимания темы.
Очень жаль видеть здесь очередную некачественную компиляцию из ничего не объясняющих фраз.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02-1Кому не надо сложного, читать такую статью не будет. Я указал, что уровень сложности "средний", значит, читатель уже знаком с базовыми понятиями КМ. Если Жизан по-вашему делает псевдонаучные заявления, то, скорее всего, это вы чего-то не поняли. Почитайте внимательно "Квантовую случайность", там лучше объясняется. При каждом измерении создаётся новая информация или образуются новые ветви Мультивёрса - что это, если не акт творения?
Варианты объяснения квантовой запутанности я в статье перечислил: нелокальность, контрфактическая неопределённость или супердетерминизм. На вопрос "в какой момент частица получает свойства?" я тоже ответил: в момент измерения. Одновременно происходят измерения или нет - зависит от системы отсчёта.
murkin-kot
01.09.2023 10:02+1На вопрос "в какой момент частица получает свойства?" я тоже ответил: в момент измерения
На этот вопрос ответили не вы, а физики, проводившие эксперименты по проверке неравенства Белла. А вы взялись популярно донести до масс суть этой проверки. И как раз в этой части вы с задачей не справились.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02В таких темах всегда приходится искать компромисс между точностью и простотой изложения. Я предпочитаю точность, иначе можно чрезмерно упростить и ещё больше запутать.
DrSmile
01.09.2023 10:02+5Не просто так я считаю большинство научно-популярных статей про квантовую механику, скорее, вредными. С точки зрения ММИ, миф №3 — это не миф, а самая настоящая реальность. Если одна из частиц запутанной пары провзаимодействует с третьей, то это не только не приведет к разрушению запутанности, наоборот, в изначально запутанную пару частиц добавиться третья. Декогеренция — это процесс бесконтрольного распространения запутанности на окружение, в конечном итоге приводящий к расщеплению миров. Разрушение запутанности является субъективным: когда в запутанность вовлекается разумный наблюдатель, то он переходит в состояние Шредингера — суперпозицию своих копий, каждая из которых запутанности уже не видит. Вообще, ММИ в статье описана как-то совсем невнятно.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Замечание принимается, хотя я старался рассматривать вопрос безотносительно интерпретации, а как это работает с точки зрения ММИ - написать в отдельной статье. Всё-таки запутанность там сохраняется на уровне всего Мультивёрса, а с точки зрения наблюдателя она разрушается при измерении, что неотличимо от коллапса волновой функции в КИ.
DrZlodberg
01.09.2023 10:02используя в качестве генераторов случайных чисел спектральные данные от двух квазаров, один из которых образовался 8 млрд лет назад, другой – 12 млрд лет назад. Неравенства Белла снова были нарушены, хотя квазары могли обменяться информацией не позже 7.8 млрд лет назад.
Тут можно придраться, что способ пребразования придумали, всё-таки, существенно позже.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02Способ преобразования не имеет значения, в любом случае квазары не могли "сговориться", какие сигналы посылать в лаборатории.
lazer1064
01.09.2023 10:02-1Автору не мешало бы ознакомиться с совсем недавними анонсированными результатами японских опытов по передаче энергии через квантовую зацепленность. Спойлер: опыт удался, энергия передалась. Это автоматически значит, что и информация может передаваться посредством квантовой зацепленности, а текущая физическая модель оного явления идет к черту.
dionisdimetor Автор
01.09.2023 10:02+1Если вы имеете в виду телепортацию энергии между запутанными кубитами квантового компьютера, то в этом нет ничего революционного. Квантовую телепортацию практикуют с 1997 г., а передача таким способом энергии была лишь вопросом времени. Так что текущая физическая модель никуда не идёт, а отправляет по указанному адресу своих критиков.
NeoCode
А в чем проблема с нелокальностью? Можно представить, что координаты (в пространстве и времени) - это просто еще один параметр частицы, такой же как спин или заряд. Да, правила того "клеточного автомата", по которым работает Вселенная, в большинстве случаев требуют, чтобы координаты взаимодействующих частиц были более-менее близки. Но во всех ли случаях? И насколько близки?
Вот допустим, есть у нас двусвязный список. Какая нам разница, находятся ли два элемента в разных концах адресного пространства компьютера, или рядом буквально один за другим? У элемента есть указатели на предыдущий/следующий, они указывают куда надо - и список работает.
dionisdimetor Автор
Нелокальность как универсальный принцип всё-таки ближе к голографической теории Бома, а то, что наблюдают в экспериментах, лучше называть нелокальными корреляциями.
Ваше объяснение находится в согласии с голографическим принципом Герарда тХоофта, согласно которому всё происходящее в нашем пространстве-времени можно записать на границе этого пространства или даже в виде строки битов. Вопрос в том, как перевести в двоичный код параметры частиц.
В некоторых моделях квантовой гравитации, допускающих запутанность отдельных областей пространства-времени, расстояние - это просто мера запутанности. Когда квантовые степени свободы сильно запутаны, они находятся рядом, когда слабо – они далеко друг от друга.
В теории Стивена Вольфрама, насколько я понял, вообще всё состоит из нелокальных связей, которые задаются короткими алгоритмами.
Мне тоже нравится модель Вселенной как клеточного автомата или самовычисляющего компьютера, но её эволюция вполне может оказаться и недетерминированной, если не брать в расчёт контрфактические сценарии.
V_Scalar
Почему-то никого не удивляет когда спины двух электронов на орбитали запутаны, мол действуют обменные силы, а на большем расстоянии так сразу магия.
Все очень просто!!!
Вспоминаем модель бесконечной вложенности (древние индусы не дадут соврать) протон состоит из 3 кварков, кварк состоит из 3 преонов, преон состоит из 3 .... и т.д. Точно так же мы должны предположить на каждом уровне переносчик![]()
соответствующий этому уровню. Это совершенно логичная модель, не нужно предполагать каких либо частиц или струн не имеющих структуру. Оказывается такие самоорганизующаяся неравновесные структуры действительно есть, И.Пригожин показал что они имеют скейлинговую или фрактальную структуру похожую на фрактал Мандельброта.
Допустим вот 2 запутанных электрона на орбитале и их облако обменных сил, - этому облаку соответствует фрактальный двойник из частиц более глубокого второго уровня, фрактал не просто набор подобий, это определённый порядок структур, то есть это облако более глубокого уровня тоже несёт полную информацию о паре запутанных электронов. Далее, мы переносим один запутанный электрон куда то вдаль, стоп лучше на примере кварков — мы переносим один кварк, за ним тянется глюонная трубка, кварки на концах трубки обязательно запутаны. Так же и с электронами, облако 2, 3 и т.д глубинного уровня переписчиков может простираться и переносить информацию на большие расстояния между запутанными электронами, но чем дальше тем слабее состояние. Сила на расстоянии очень слабая, но все же она будет подсказывать о поведении запутанного двойника,
Теперь о скорости. Известно: чем легче частица - тем выше её характерные тепловые скорости и соответственно их коллективные возбуждения, волны. У гелия 2000 м/с, у водорода 4000 м/с , а вот следующий уровень —электрон это уже половина скорости света. Разница между уровнями примерно 100000, то есть лёгкие/мелкие переносчики глубинного уровня передают информацию почти мгновенно, со скоростью мысли (а также хранят ее). И никакого нарушения скорости света нет (потому что этих мелких тахионных частиц как бЭ нет).
dionisdimetor Автор
Формула Бекенштейна-Хокинга вышла из чата...
V_Scalar
Приветствую. Допустим Вы выступаете перед залом, в зале сидят учёные все сплошь детерминисты, приверженце волн пилота, скрытых параметров и тд., строители моделей там всякие Буш и др.,таких не мало. Говорите - "Я в детстве баловался фрактальными моделями, но потом постиг суть мироздания, материя дискретна, мамой клянусь. Есть только 4 квантовых параметры, и больше никаких нет, точно говорю. Но теперь вам надо доказать в каком смысле она дискретная то, допустим вот мы спустились мысленно на масштаб электрона, он ведь не точечный (потому что в физике именно в физике сингулярности запрещены), смотрите на него, а он как в компьютерной игре шарик с надписью е-, или струна непонятно из чего сделана, наверное волос ангела. Учёные вам из зала кричат доказательства НЕ УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНЫЕ, не надо нам тут фамилии сыпать, затёртые до дыр штампы, всякую фантастику про раздвоение миров, давай доказательства !
V_Scalar
Это перерастает в какой то философский спор, кто то тянет в сторону всякой фантастики, другие реализма. Все дело в психотипах людей, – первый тип это мальчики послушайчики, с детского сада, школы, института они смотрят в рот воспитателя, их интересует только "как правильно" чтобы получить поощрение. Второй тип- перед авторитетами не склоняются, сами все проверяют. Допустим, если им показать фокус не говорит что это фокус, то первый тип будет утверждать да это так и есть, дед мороз положил подарок в коробку мы это читали в книгах и точно знаем. Второй тип будет искать скрытый механизм, верёвочку за которую дёргают