Путенихин П.В. Парадоксы квантовой суперпозиции в макромире
| [ Скачать с сервера (423.1 Kb) ] | 13.02.2016, 19:26 |
Путенихин П.В. m55@mail.ru Полный текст статьи находится в прилагаемом файле. Ниже приведён фрагмент текста для ознакомления. Аннотация Квантовая суперпозиция с формальной точки зрения не является сложным понятием. Но с логической точки зрения и с позиций здравого смысла она не может найти объяснения без использования понятий «чудо» и «магия». Квантовая механика утверждает, что ее аппарат является универсальным и может быть распространен на явления макромира. Хотя явления обыденной реальности и могут быть объяснены вполне приемлемым и логичным образом, без получения парадоксальных результатов, вместе с тем такое объяснение и распространение явления на макромир имеет и другую сторону: ставит под сомнение само понятие суперпозиции. Содержание Суперпозиция Двухщелевой эксперимент Интерференция с волновой точки зрения Интерференция с корпускулярной точки зрения Опыты, подобные двухщелевому эксперименту Причины нарушения интерференции – знание о пути частицы Интерференция как суперпозиция двух путей Почему шредингеровский кот не интерферирует? Сходство шредингеровского кота и фотона с точки зрения интерференции Эксперименты, которые могли бы что-то прояснить Гипотеза: вторая щель - резонатор фантома Возможное объяснение феномена интерферометра Маха-Цандера. Заключение Литература Почему шредингеровский кот не интерферирует? Почему же нам не приходилось наблюдать эту парадоксальную суперпозицию состояний кота? Вспомним заданный выше вопрос: что надо для наблюдения суперпозиции состояний? И вывод, который получен при рассмотрении этого вопроса: «для наблюдения суперпозиции мы не должны фиксировать состояние объекта» (Заречный). Вопрос этот необходимо немного пояснить. Необходимо различать суперпозицию состояний как таковую и следствие этой суперпозиции: интерференцию. Реально, визуально мы можем наблюдать только интерференцию, которая является следствием суперпозиции состояний, но не саму суперпозицию. Нам никогда не приходилось реально видеть крикетные шары или слонов в виде столь странных суперпозиционных «сумм», когда они находятся одновременно в двух местах сразу. Однако нахождение квантовой частицы одновременно в двух местах также никто не наблюдал. Вывод о том, что частицы находятся в виде столь странной суперпозиционной суммы, делается на основе косвенных данных, когда наблюдаемое явление заставляет сделать такое предположение: частица как бы находится в двух разных местах. Тогда с необходимостью можно сделать вывод, что и для крикетных шаров, слонов и людей нет оснований требовать явного наблюдения такой «странной суммы»! Действительно, мы не наблюдаем, что крикетный шар визуально находится и там и здесь. Но такого визуального наблюдения не может быть сделано и для квантовой частицы. Более того, есть бесспорные данные, что все обстоит как раз наоборот. Хотя квантовая частица и математически и в эксперименте ведет себя неким загадочным образом, убеждая нас, что она находится как бы одновременно в двух разных местах, любой эксперимент всегда показывает: частица находится только в одном единственном месте, в том месте, где ее регистрирует датчик. Никогда эксперимент не показывал наличие частицы в двух местах сразу фактически. При этом и «половинки» частицы также никогда не были зафиксированы. Таким образом, можно сделать вывод: ожидание увидеть макрообъект в состоянии визуальной суперпозиции, то есть, когда макрообъект явно наблюдается в двух различных местах, противоречит квантово-механическому формализму, является противоречием с наблюдаемым в экспериментах поведением квантовой частицы. Поскольку квантовая механика утверждает, что макрообъект должен вести себя в состоянии суперпозиции аналогично квантовой частице, то и наблюдаемость этой суперпозиции должна быть аналогична квантовой наблюдаемости. Поэтому нет никакого противоречия в том, что макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции мы не можем визуально наблюдать в каждом из этих состояний одновременно. Квантовая механика, как отмечает Пенроуз, не дает нам объяснения, почему мы не можем наблюдать суперпозиционные состояния макрообъектов точно так же, как она не дает такого же объяснения, почему мы не наблюдаем одновременно суперпозиционные состояния квантовых объектов. «Это – глубокий вопрос, и современная квантовая теория по сути дела не дает нам удовлетворительного ответа на него» (Пенроуз). О суперпозиционном состоянии частицы мы можем судить по интерференционной картине. Следует предположить, что о суперпозиционном состоянии макрообъекта мы также можем судить по интерференционной картине. Квантово-механический формализм прямо указывает на это через интерференционный член. То есть, формально нет никаких запретов на интерференцию суперпозиционных состояний макробъектов, в том числе, крикетных шаров, слонов, людей и шредингеровского кота. Главным в этом формализме является наличие таких взаимоисключающих суперпозиционных состояний. Для шрединегровского кота такими состояниями являются «живой» - «мертвый» кот. Жив-мертв образуют суперпозицию состояний кота. Парадокс шредингеровского кота состоит в том, что в реальности мы не можем наблюдать кота одновременно и живым и мертвым. Почему? Во-первых, собственно суперпозицию наблюдать, как отмечено выше, мы не можем – мы можем наблюдать ее косвенно, через интерференцию. Но каким образом, на какой установке можно было бы получить интерференционную картину состояний «живой-мертвый»? Во-вторых, достаточно очевидный, как это ни странно, ответ с позиций теории декогеренции, дает С.Доронин: «Если есть взаимодействие между макроскопическими объектами, то между ними обязательно будут присутствовать квантовые корреляции». Что это означает? Вспомним, что для наблюдения интерференции, необходимо отсутствие даже принципиально возможности узнать состояние объекта. Но наличие квантовых корреляций исключает такую возможность «не знания». Взаимодействие объекта (кота) с окружением: приборами, наблюдателем является фактором, нарушающим интерференцию состояний кота. Всегда при наблюдении, измерении состояния кота мы вступаем с ним во взаимодействие, получаем знание о его состоянии или, как минимум, создаем принципиальную возможность получить это знание в будущем. В таком случае интерференция нарушается. «Конечно же, это не так, наоборот, такой “кот” может существовать только в случае изолированной системы, когда нет его взаимодействия с окружением» (Доронин). Только отсутствие какой бы то ни было принципиальной возможность сейчас или в будущем узнать состояние кота (до коллапса его вектора состояния – когда он фактически перейдет в одно из собственных состояний – жив или мертв) позволяют говорить о суперпозиции его состояний. То есть суперпозиция есть, но только при отсутствии знания о реальном состоянии кота. «А квантовые корреляции с окружающими объектами – это как раз прямой результат взаимодействия с ними, это самое естественное состояние. Для любого макроскопического объекта не будет квантовой запутанности с другими объектами только в том случае, если между ними нет, и не было взаимодействия». (Доронин, http://physmag.hut1.ru/forum/topic.php?forum=1&topic=49&start=1#1137087179) Только в этом случае можно говорить о наличии суперпозиции состояний макрообъекта – кота, о том, что он находится одновременно в двух состояниях «жив» и «мертв». Следовательно, невозможность наблюдения в реальности этих двух состояний ясно и недвусмысленно предсказана формализмом квантовой механики и не должна, таким образом, вызывать недоумения. Говорить, таким образом, о парадоксе (в изложении Шредингера) неправильно: «Суперпозиция, когерентное состояние может быть только для замкнутой системы (чистого состояния). В нелокальном состоянии может находиться только вся коробка – вместе с котом и всем остальным содержимым, и при этом рядом не должно быть внешнего наблюдателя, изучающего коробку». (Доронин, http://physmag.hut1.ru/forum/topic.php?forum=5&topic=20&start=4#1135712537) «Два состояния – это только с классической точки зрения, только для внешнего наблюдателя. Два возможных состояния может увидеть только внешний наблюдатель уже после декогеренции, если он будет измерять, взаимодействовать с системой» (Доронин). Только внешний наблюдатель может задаться вопросом: каким образом реальный макроскопический живой объект может быть при этом одновременно мертвым? Но такой подход с точки зрения квантовой механики совершенно не правомерен: «Состояние суперпозиции “кота” и любой другой системы – не имеет к нам, к внешним наблюдателям, никакого отношения – это состояние самой системы, и эти состояния самой системы могут быть разные – локальное сепарабельное и нелокальное суперпозиционное» (Доронин). Только после перехода системы (кот) в локальное, реально наблюдаемое, сепарабельное состояние внешний наблюдатель может убедиться в его состоянии, которое возникло в результате коллапса вектора состояния системы. Но когда речь идет о суперпозиционном состоянии кота, до момента коллапса его вектора состояния: «Квантовая теория говорит о том, что кота вообще нет в локальном состоянии, он типа “растворен” в окружающей реальности, и лишь при декогеренции мы можем “проявить” его в том или ином состоянии». (Доронин, http://physmag.hut1.ru/forum/topic.php?forum=5&topic=20&start=4#1135712537) Возникновение рассуждений о парадоксе «живого-мертвого» кота связано с тем, что система рассматривается в связи с окружением, фактически в условиях непрерывного получения информации о ее состоянии, что, разумеется, приводит к нарушению интерференции: «Если кота куда-то сажают, то это уже не чистое состояние (оно не описывается вектором состояния), и разговоры о суперпозиции состояний теряют смысл».(Доронин) То есть, всякая связь, взаимодействие кота с коробкой, наблюдателями, видеокамерой и даже просто возможность в любом самом невинном виде получить информацию о текущем состоянии кота делает его состояние запутанным с окружением и нарушает суперпозицию. Сходство шредингеровского кота и фотона с точки зрения интерференции Итак, можно сделать однозначный вывод: состояние суперпозиции состояний шредингеровского кота не противоречит не только формализму квантовой механики, но и соответствует распространению этого формализма на макрообъекты. Рассмотрим теперь возможность косвенного наблюдения суперпозиции состояний макрообъекта в том же виде, как оно возможно для квантовых объектов. Для наблюдения интерференции состояний «живой-мертвый» кот достаточно сложно представить экспериментальную установку. Для этого нам необходимо обеспечить, в частности, дифракцию кота, приводящую к появлению двух альтернативных суперпозиционных состояний. Эти состояния в рассматриваемой ситуации никак не связаны с нахождением кота в разных местах. Проявление этих состояний в виде волн также связано с определенными трудностями, поскольку отсутствует собственно движение объекта. Поэтому более разумно рассмотреть традиционную схему: суперпозиция двух путей движения (полета) кота. Это в наибольшей мере соответствует квантовому эксперименту с двумя щелями. Поскольку квантовая механика не делает явного различия между квантовыми и макрообъектами, то, очевидно, должна существовать суперпозиция и интерференция при двухщелевом эксперименте с котом. Не вдаваясь в технические детали такого эксперимента, необходимо сразу же отметить главное условие его осуществимости: не должно быть никакой даже принципиально возможности узнать реальное положение кота в пространстве. Каким конкретно образом это может быть осуществлено, не так уж и важно, но это условие должно быть выполнено безусловно. Продолжая аналогию, можно предположить, что интерференция, подобная интерференции фотона, безусловно, возможна и в том случае, если в качестве интерферирующего объекта будет выбран человек. И здесь, очевидно и безусловно, должно быть обеспечено условие принципиальной невозможности определения местонахождения интерферирующего объекта-человека в пространстве. Исключена любая, даже теоретическая, возможность спросить его и получить ответ: каким путем ты двигался? Только при таких условиях отсутствия взаимодействия с окружением возможно суперпозиционное состояние макрообъекта (человека, кота, крикетного шара). Заключение Как было показано выше, нарушение интерференции вызывается фактически только одним обстоятельством: принципиальной возможностью знания состояния объекта, знание, в каком из состояний суперпозиции он находится перед моментом коллапса вектора состояния. При этом квантово-механический формализм одинаково непротиворечиво допускает суперпозиционные состояния не только квантовых объектов (микромир), но и макробъектов. Никаких противоречий со здравым смыслом и практической деятельностью такое описание не создает. Если возможно обеспечить условия возникновения квантово-механических явления в области макрообъектов (макромира), эти явления имеют очевидное право на существование. В частности, нет никаких технических, математических и квантово-механических препятствий для наблюдения интерференции макрообъекта в том же самом виде, что и интерференция в двухщелевом эксперименте. Другими словами, крикетный шар (кот, слон, человек), пролетевшие в соответствующих условиях (ограничения знания о фактическом нахождении объекта в одном из возможных собственных суперпозиционных состояний) через аналогичную квантово-механической установке должны показать все те же явления, что и двухщелевой эксперимент. А именно: дифракция на некотором подобии щелей, волновую интерференцию и «попадание» макрообъекта в определенные области соответствующего экрана. Нет никаких принципиальных препятствий для такого исхода. Однако реальная сложность или даже невозможность проведения такого эксперимента вызвана, очевидно, невероятно высокой сложностью обеспечить замкнутость макроскопической системы, ее изолированность от окружения, вызывающего процессы декогеренции, обеспечении ее нелокального суперпозиционного состояния. Тем не менее, принципиально никаких ограничений к этому нет. Кроме того, суперпозиция состояний может рассматриваться в самом широком квантово-механическом смысле: все альтернативные (взаимоисключающие, некоммутирующие) состояния любого макроскопического объекта могут быть описаны в виде вектора состояния. Не является исключением и парадокс шредингеровского кота. В реальности вряд ли возможно обеспечить полную изоляцию системы от окружения, поэтому для внешнего наблюдателя всегда существует принципиальная возможность получить информацию о фактическом состоянии кота, что исключает какую бы то ни было возможность получить чистое суперпозиционное состояние. На это необходимо обратить самое пристальное внимание. Речь идет не просто об изоляции системы с котом от окружающего мира и внешнего наблюдения. Речь идет о более широком, фундаментальном и принципиальном обстоятельстве. Каким образом, через какие механизмы объективная реальность регулирует процессы суперпозиции в зависимости от гипотетической, призрачной, формальной возможности получить знание о состоянии системы – сказать трудно. Однако именно это обстоятельство однозначно определяет возможность возникновения суперпозиционного состояния в системе (неважно, квантовой или макроскопической). Справедливости ради, следует отметить и обратное обстоятельство. Какими бы строгими ни были рассуждения о квантово-механическом формализме суперпозиции, есть серьезное возражение против него. Хотя мы не можем изолировать кота от окружения и обеспечить безусловную принципиальную невозможность выяснения его состояния в суперпозиции «жив-мертв», мы допустили, что это, тем не менее, возможно. Такая возможность «знать» не позволяет нам осуществить интерференцию кота и косвенно наблюдать его состояние суперпозиции, но теоретически ее можно исключить. Однако в этом случае даже при полной и принципиальной невозможности определить состояние «жив-мертв» мы априорно знаем, что он не смотря ни на что либо жив, либо мертв. Это неотъемлемое свойство живого существа. А тем более существа, обладающего сознанием. Это исключительный, особый макрообъект. Каким бы ни было его состояние сознания или жизни, он определенно может быть либо жив, либо мертв. Это, возможно, единственный макрообъект, обладающий взаимоисключающими состояниями, в которых он не может находиться одновременно. Знаем ли мы о точном его состоянии или нет, тем не менее, это не дает нам оснований утверждать, что они оба реальны. То есть в данном случае незнание одного из этих состояний объекта не приводит к появлению их суперпозиции. Формально мы, конечно, можем допустить их сосуществование, но реальность и здравый смысл исключают такую возможность. Следовательно, для живого объекта (или объекта, обладающего сознанием) состояние суперпозиции и явление интерференции невозможны даже при отсутствии знания и отсутствия запутанности с окружением. А раз так, то явление суперпозиции является в данном случае чистым математическим (квантово-механическим) формализмом. Подобное исключение из правила позволяет поставить под сомнение и все правило целиком: Принципиальная невозможность знать состояние фотона (одно из возможных суперпозиционных) должна допускать, что на самом деле это состояние есть и оно строго однозначно, а не является суперпозицией одновременно присущих фотону состояний. Действительно, если даже обеспечить все необходимые условия для возникновения суперпозиционного состояния «жив-мертв» (чистое состояние), то с логической точки зрения мы не можем допустить реального возникновения такого состояния: одновременно «жив и мертв». Вместо этого непротиворечиво можно принять это состояние суперпозиции, как отсутствие нашего знания о состоянии «жив» или «мертв» и замене его на формальное, вероятностное псевдо-суперпозиционное состояние. А поскольку квантовая механика проводит аналогию между квантовой и макроскопической суперпозицией, то этот вывод в равной мере может быть отнесен и к суперпозиции квантовой. Квантовая суперпозиция ставится под сомнение: суперпозиция – это не реальное явление, а математический формализм, правильно описывающий реальность. 27.12.2007 Адрес полного текста статьи в интернете URL: http://samlib.ru/editors/p/putenihin_p_w/super.shtml Иллюстрации и уравнения к статье (зеркала) http://samlib.ru/editors/p/putenihin_p_w/ https://cloud.mail.ru/public/8WpP/qeaUMAiGz https://yadi.sk/d/EZg36rrKmJDwk https://drive.google.com/folderview?id=0B0uM56-EnG4ZaUFJb0YzY3YtcVU&usp=drive_web | |
| Категория: Разное | | | |
| Просмотров: 3276 | Загрузок: 44 | |
| Всего комментариев: 0 | |