Квантовая механика и парадоксы сознания - Александр Петрович Никонов
Нет. Кванты не маленькие.
Смотрите. Мы ведь говорили уже, что квант неделим. Никто никогда не видел половинку фотона. Это правда. Даже пройдя через две щели, квант остается неделимым и единым. Если полупрозрачное зеркало раздвоило фотон «пополам», и одна «половинка» фотона полетела влево, а другая его «половинка» улетела вправо, все равно он остается одним связным целым, даже если его «половинки» разлетелись на разные концы вселенной.
Квант неделим! Попытка пронаблюдать только левую половинку фотона на одном краю вселенной приведет к тому, что вы увидите не половинку, а целый фотон с вероятностью 50 %. И с такой же вероятностью он материализуется на другом краю вселенной.
Поэтому теоретически квант размеров не имеет. Он безграничен. Широкая публика привыкла к тому, что кванты – это крохотные «создания» микромира. Такое представление пошло со времен столетней давности, когда кванты были обнаружены в микромире. Но современная наука говорит, что кванты вполне могут быть размера, сопоставимого с размером всей наблюдаемой астрономами Вселенной, и это экспериментальный факт, а не голое теоретизирование!
Но даже если не углубляться в космологические дебри, а оставаться в рамках школьного курса, то можно вспомнить ту же шкалу электромагнитных колебаний. Ближе к правому ее концу расположены привычные нам световые колебания, то есть фотоны разных цветов (частот), а также ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Частота этих колебаний велика, длина волны микроскопична, и потому наш мозг привычно воспринимает кванты этого излучения как маленькие объекты микромира.
Но с другой стороны электромагнитной шкалы располагаются радиоволны миллиметрового, дециметрового, метрового, километрового и более диапазонов. Представьте себе квант поля с длиной волны в километр или в сто тысяч километров! Согласитесь, это уже не объект микромира!
К тому же формулы, описывающие жизнь квантов, говорят нам о том, что вероятность обнаружить электрон в каком-то весьма отдаленном (от ожидаемого) месте вовсе не равна нулю. А это значит, что электронное облачко летящего электрона размазано в пространстве практически всей вселенной. И хотя вероятность обнаружить электрон (как частицу после замера) на другом краю вселенной ничтожна, поскольку эта вероятность быстро падает с расстоянием, но она никогда не обращается в ноль.
И раз уж мы заговорили о вероятностях, надо сказать пару добрых слов и о них. Тем паче что мы начали повествование со старика Ньютона.
Итак, возвращаемся к Исааку Ньютону с его шишками на голове от яблок и с его ужасным фатальным миром, напоминающим механические часы с шестеренками. В этом мире ничего изменить нельзя: все движения всех его частиц жестко и однозначно обусловлены их массами, скоростями и направлениями движения. Представили себе такое мироздание? В подобном мире даже о времени можно говорить как о некоей условности, этот мир словно существует неизменным во все времена, и «проигрывание» такого мира «вперед» и «назад» во времени даст чистый повтор событий. Абсолютная механика. Полная предсказуемость в теории.
XX век разрушил эту жесткую конструкцию напрочь!
Во-первых, великий Гейзенберг вывел гениальную формулу, показавшую, что никаких точных знаний у нас в принципе быть не может: так устроена природа, она сама о себе не все «знает». Эту формулу по-другому называют «принципом неопределенности Гейзенберга». И означает сей принцип только то, что принципиально невозможно узнать все о частице, а только лишь с некоторой вполне конкретной неопределенностью. Скажем, мы не можем одновременно указать и скорость, и местоположение частицы. Если мы точно узнаем координаты частицы, мы теряем всякую информацию о ее скорости, а если точно узнаем скорость, теряем возможность узнать, где она находится. В механике такое просто невозможно!
Это еще не полное крушение ньютоновской фатальности, но уже шаг в нужном направлении. Потому что весь мир из частиц и состоит, и раз частицы неопределенны в своих координатах и скоростях, значит их будущее, как и будущее мира, предсказать невозможно.
Формула Гейзенберга не столь известна, как знаменитое уравнение Эйнштейна Е=МС2, ее не рисуют на кружках и футболках, но однажды, будучи в Болгарии, я увидел ее на этикетке бутылки с ракией. Выпил с удовольствием!
Вот он, гейзенберговский принцип неопределенности. В этой формуле дельта X – неопределенность координаты частицы, а дельта Р – неопределенность ее импульса (скорости, если хотите). Произведение этих неопределенностей не может быть меньше некоей величины (постоянной Планка). Если неопределенность в положении координаты равна нулю или близка к нулю (то есть координаты определены очень точно), тогда неопределенность импульса будет стремиться к бесконечности.
Когда Гейзенберг впервые явил миру эту формулу, физики поддались соблазну объяснить ее примерно так:
– Ну, конечно, друзья! Иначе и быть не может, ведь мы имеем дело с микромиром, а там все такое маленькое, что плакать хочется! И потому мы воздействуем на измеряемый электрон такими же по размеру штуками, как и он сам, например, бомбардируем фотонами, а значит, неизбежно вносим помеху в измеряемый объект! Измерили местоположение электрона и тем самым изменили его скорость. Поэтому и не узнаем точно, какой она была. Но ведь какой-то она была!
Можно рассудить и по-другому:
– Что такое волны? Это весьма распределенное в пространстве явление! Ну, представьте себе волнение на море. Разве можем мы задать вопрос, где точно находится волна? Этот вопрос просто не имеет смысла! Да везде! Куда ни кинь взгляд – волны до самого горизонта. О какой точной координате можно вообще говорить в таких условиях?
Все эти рассуждения верны, конечно. Но лишь отчасти: проблема оказалась гораздо глубже и фундаментальнее столь простых объяснений. Потому что появилось «во-вторых». И этим «во-вторых» была та самая волновая функция, которую мы уже упоминали, а также уравнение Шрёдингера. Эти математические конструкты описывают поведение квантов.
Не углубляясь в математику, чтобы не распугать читателей, скажем, что эти уравнения, описывающие поведение квантовой системы, не могут предсказать точный результат эксперимента, а лишь вероятность наступления того или иного события.
Самый простой пример на картинке ниже.
Если мы стреляем фотонами в полупрозрачное зеркало, расположенное под углом 45 градусов к оси фотонной пушки, то фотон с вероятностью 1/2 может пролететь зеркало насквозь или с той же вероятностью отразиться от него. То есть с вероятностью выпадения орла или решки у нас
