Квантова механіка описує не лише поведінку найдрібніших частинок. Її закони діють у тілах будь-яких розмірів: у птахах, рослинах і, можливо, навіть у людині. Стандартні підручники фізики стверджують, що квантова механіка — це теорія мікросвіту: вона описує поведінку частинок — атомів і молекул, але в макроскопічному масштабі поступається місцем звичайній класичній фізиці. Десь у проміжку між молекулою і, скажімо, грушею лежить прикордонна область, де зникають дивацтва квантового світу й починають діяти знайомі закони класичної фізики. Думка про те, що закони квантової механіки стосуються виключно мікросвіту, є загальноприйнятою. Натомість класична фізика, яка охоплює всі неквантові теорії, зокрема спеціальну й загальну теорії відносності Альберта Ейнштейна, має справу з великомасштабними об’єктами.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
- За загальним уявленням, квантова механіка — теорія мікросвіту: молекул, атомів, субатомних частинок.
- Майже всі фізики, проте, переконані, що вона стосується всіх речей, незалежно від їхнього розміру, $T_Q$, що характерні особливості приховані, — не просто питання масштабу.
- Експерименти останніх кількох років демонструють квантові ефекти у дедалі більшій кількості макроскопічних систем.
- Найсуттєвіший квантовий ефект, заплутаність, може виникати у великих і теплих системах, зокрема в живих організмах, хоча рух молекул може її зруйнувати
Однак такий звичний поділ світу насправді не більш ніж міф. Зараз небагато фізиків вважають, що класична фізика має такий самий статус, як квантова; насправді вона є корисним наближенням для опису світу, який на всіх просторових масштабах є квантовим. Прояви квантових ефектів важко спостерігати в макросвіті, але причина цього не в розмірах, а в тому, як квантові системи взаємодіють одна з одною. До минулого десятиліття не було експериментальних підтверджень того, що квантові ефекти зберігаються і в макросистемах. Сьогодні ж спостереження таких ефектів стало рутиною, оскільки вони виявилися набагато поширенішими, ніж можна було очікувати. Наприклад, вони можуть діяти в клітинах нашого тіла. Навіть ті з нас, хто присвятив своє життя вивченню цих ефектів, намагаються зрозуміти, що ж вони можуть повідомити нам про перебіг процесів у природі. Квантову поведінку важко унаочнити, і вона суперечить здоровому глузду. Це змушує нас переосмислити наші погляди на Всесвіт і прийняти нову, незвичну картину нашого світу.
Заплутана історія
Для науковця, який займається квантовою теорією, класична фізика малює чорно-біле зображення багатобарвного світу. Класичні категорії не здатні відобразити світ у всьому багатстві його відтінків. Окремі частинки поводяться за квантовими законами, а en masse — за класичними. Перші вказівки на те, що розмір системи не є визначальним чинником, були виявлені у знаменитому уявному експерименті з так званим котом Шредінгера.
Ервін Шредінгер запропонував його в 1935 р., щоб проілюструвати, як мікро- і макросвіт взаємодіють між собою, виключаючи довільні зв’язки між ними. Квантова механіка стверджує, що радіоактивний атом в один і той самий момент часу може існувати і як розщеплений, і як нерозщеплений. Якщо таку частинку помістити в посудину з отрутою, яка стає смертельною для кота в разі розпаду атома, то тварина також опиняється в невизначеному стані — одночасно і живою, і мертвою. Невизначеність однієї системи передається іншій. Загадка полягає в тому, чому власник улюбленця побачить його у визначеному стані: або живим, або мертвим.
З погляду сучасної науки світ виглядає класичним, оскільки складні взаємодії квантового об’єкта з його оточенням приховують квантові ефекти від нашого спостереження. Наприклад, інформація про стан здоров’я кота швидко поширюється в навколишньому середовищі у формі фотонів і теплообміну. Такий витік інформації про квантовий стан лежить в основі процесу, відомого як декогерентність, або розпад суперпозиційних станів.
СПОСТЕРІГАЮЧИ ЗА СПОСТЕРІГАЧЕМ
Ідея про те, що квантова механіка застосовна до всіх об’єктів у Всесвіті, включно з нами, людьми, може привести до низки дивних висновків. Розгляньмо варіант канонічного уявного експерименту з котом Шредінгера, запропонований у 1961 р. нобелівським лауреатом Юджином Вігнером (Eugene P. Wiegner) і ускладнений Девідом Дойчем (David Deutsch) з Оксфордського університету в 1986 р.
Припустімо, що дуже вправна фізикиня-експериментаторка Аліса поміщає Боба в кімнату разом із котом, радіоактивним атомом і котячою отрутою, яка активується, якщо атом розпався. Присутність у кімнаті людини потрібна для того, щоб з нею можна було спілкуватися (отримати відповідь від кота не так уже й просто). З погляду Аліси атом перебуває одночасно і в стані розпаду, і в стані без розпаду, а отже, тварина одночасно і жива, і мертва. Однак Боб, який безпосередньо спостерігає за котом, бачить його в одному визначеному стані з двох. Аліса просовує під двері аркуш паперу із запитанням до Боба: чи перебуває тварина в одному визначеному стані, і Боб відповідає: «Так».
Зауважте, що Аліса не запитує Боба, живий кіт чи мертвий. Для неї це означало б наперед визначити результат, або, як висловлюються фізики, колапс стану. Її задовольняє те, що її друг бачить тварину або живою, або мертвою, і вона не запитує, якою саме.
Оскільки Аліса не допустила колапсу стану, то з погляду квантової теорії передавання аркуша паперу під дверима — оборотна дія. Вона може знову пройти всі стадії експерименту. І якщо раніше кіт був мертвий, то тепер він буде живий, отрута залишиться в посудині, атом виявиться таким, що не розпався, а Боб не пам’ятатиме про те, що колись бачив мертве тіло.
Однак один слід усе ж залишається: аркуш паперу. Аліса може відтворити експеримент, але вона не може змінити те, що було на ньому написано. А на ньому було написано, що Боб раніше бачив кота у визначеному стані: або живим, або мертвим.
І це приводить нас до дивовижного висновку. Аліса могла повернути експеримент у зворотному напрямку, оскільки, з її погляду, їй вдалося уникнути колапсу стану; для неї Боб перебував у такому самому невизначеному стані, що й кіт. Але її друг, який перебував у кімнаті, думав, що стан було зруйновано. Він спостерігав визначений результат експерименту, що доводить його записка. Таким чином, експеримент демонструє два принципи, які очевидно виключають один одного. Аліса думає, що квантова механіка застосовна до макроскопічних об’єктів: не лише коти, а й Боби можуть існувати у квантовому світі. Боб же вважає, що вони можуть бути тільки живими або мертвими. Такий експеримент із людиною може здатися неприродним, однак фізики можуть зробити практично те саме з простішими системами. Антон Цайлінгер (Anton Zeifinger) та його колеги з Віденського університету спрямували фотон на велике дзеркало. Якщо фотон відбивається від нього, то дзеркало отримує імпульс віддачі, якщо ж фотон проходить крізь дзеркало, то воно залишається нерухомим. Фотон тут відіграє роль атома, що розпадається, — він може існувати більш ніж в одному стані. Дзеркало, що складається з мільярдів атомів, діє і як кіт, і як Боб. Процес можна повернути у зворотному напрямку повторним відбиттям фотона від дзеркала.
Розробляючи ці хитромудрі уявні експерименти, Вігнер і Дойч ішли за Ервіном Шредінгером, Альбертом Ейнштейном та іншими теоретиками, які закликали фізиків до глибшого розуміння квантової механіки. Однак протягом багатьох десятиліть більшість фізиків не були особливо занепокоєні цими фундаментальними проблемами, оскільки вони мало впливали на практичні застосування теорії. Однак тепер, коли такі експерименти можна реально здійснити, завдання глибокого розуміння квантової механіки стає дедалі нагальнішим.
Великі об’єкти більш схильні до декогерентності, ніж малі, що пояснює, чому фізики зазвичай розглядають квантову механіку як теорію мікросвіту. Однак у багатьох випадках витік інформації можна уповільнити або навіть зупинити, і тоді квантовий світ проявляє себе в усьому своєму блиску. Найважливіший квантовий ефект — переплутаність, або заплутаність (entanglement), — термін, який Шредінгер увів у 1935 р. тоді ж, коли представив світові свого кота. Він означає зв’язування окремих частинок у певне неподільне ціле. Класична система завжди подільна, принаймні в принципі. Будь-які колективні властивості, які вона має, визначаються властивостями її компонентів, що мають однакові властивості. Але зв’язана, або заплутана, система не може бути розділена в такий спосіб. Це явище призводить до дивних наслідків. Заплутані частинки, навіть перебуваючи далеко одна від одної, поводяться як єдине ціле. Цю ситуацію Ейнштейн назвав «загадковою дією на відстані».
Зазвичай фізики говорять про заплутування пар елементарних частинок, таких як електрони. Їх можна наближено розглядати як маленькі дзиґи, що обертаються за годинниковою стрілкою або проти неї, з віссю обертання, орієнтованою довільно: горизонтально, вертикально, під кутом 45˚ тощо. Щоб визначити спін частинки (у цьому разі напрямок осі обертання. — Прим. пер.), ви повинні вибрати напрямок і подивитися, чи збігається він із цим напрямком.
КВАНТОВА СІЛЬ
Фізики звикли вважати, що квантові закони виявляються в чистому вигляді лише на рівні окремих частинок, а великі кластери частинок поводяться згідно з класичними законами. Але експерименти, виконані останнім часом, суперечать цьому уявленню. Наприклад, атоми (точніше, вектори моментів кількості руху атомів. — Прим. пер.) у кристалі солі орієнтовані хаотично (внизу ліворуч), а при накладанні зовнішнього магнітного поля шикуються вздовж нього. Це шикування відбувається швидше, ніж очікується згідно з передбаченням класичної фізики (внизу посередині). Очевидно, що їхньому шикуванню строго за напрямком поля (внизу праворуч) сприяє квантове явище заплутування — «загадкова дія», що координує рухи частинок, далеко віддалених одна від одної. Роль заплутування виявляється у вимірюваннях магнітних властивостей кристала (на графіку).
ЯК СІЛЬ ОБМАНЮЄ КЛАСИЧНІ ОЧІКУВАННЯ
Припустімо, що електрони поводяться як класичні частинки. Ви можете зорієнтувати спін одного електрона горизонтально з обертанням за годинниковою стрілкою, а другого також горизонтально, але з обертанням проти годинникової стрілки. У цьому разі їхній повний спін (у цьому разі повний момент кількості руху. — Прим. пер.) дорівнює нулю. Осі обертання електронів залишаються фіксованими в просторі, і якщо ви проводите вимірювання, то його результат залежить від того, чи збігається обрана вами вісь з віссю обертання частинок. Якщо ви проводите вимірювання в горизонтальному напрямку, то бачите, що вони обертаються в протилежних напрямках; якщо ви проводите вимірювання у вертикальному напрямку, то вже не можете визначити спін жодного з них. Однак для квантових електронів ситуація докорінно відрізняється. Ви можете влаштувати так, що повний спін частинок дорівнюватиме нулю, навіть якщо ви не знаєте, які їхні індивідуальні спіни. Якщо ви проводите вимірювання з однією з частинок, то бачите, що вона довільно змінює напрямок обертання, наче сама вирішує, в якому напрямку їй обертатися. І все ж, хоч би який напрямок вимірювання ви обрали, за умови, що він однаковий для обох частинок, ви завжди побачите, що вони обертаються в протилежних напрямках, — одна за годинниковою, а друга проти годинникової стрілки. І залишається цілковитою загадкою, як вони дізнаються про те, як їм треба вчинити. Ба більше, якщо ви проводите вимірювання з однією частинкою в горизонтальному напрямку, а з другою — у вертикальному, то отримаєте визначене значення спіну для обох, тобто створюється враження, що частинки не мають фіксованої осі обертання. Результати подібних вимірювань неможливо зрозуміти в межах класичної фізики.
Діючи спільно
У більшості експериментів, що демонструють явище заплутування, бере участь порівняно невелика кількість частинок. Великі колективи частинок важче ізолювати від навколишнього середовища, і їхні учасники отримують можливість заплутуватися з чужими частинками, що приховує їхні початкові зв’язки. Мовою декогерентності це означає, що надто багато інформації витікає в оточення системи, і вона починає поводитися як класична. Труднощі збереження початкових зв’язків становлять головний виклик для тих із нас, хто хотів би використовувати ці нові явища з практичною метою, наприклад для створення квантових комп’ютерів. Витончений експеримент, виконаний у 2003 р., показав, що заплутування може зберігатися і в більших системах, якщо вдається протидіяти витоку інформації. Габріель Епплі (Gabriel Aeppli) з колегами з Університетського коледжу Лондона взяли шматочок фториду літію і помістили його в зовнішнє магнітне поле. Атоми цієї солі можна розглядати як маленькі магніти, що обертаються і прагнуть вишикуватися вздовж зовнішнього магнітного поля: ця їхня властивість відома як магнітна сприйнятливість. Сили, з якими атоми впливають один на одного, змушують їх шикуватися швидше. Досліджуючи сприйнятливість солі залежно від сили магнітного поля, автори виявили, що атоми реагували на зміну поля значно швидше, ніж це випливало з розрахованої сили їхньої магнітної взаємодії. Було очевидно, що існує певний додатковий ефект, який допомагає атомам діяти в унісон, і дослідники припустили, що за це відповідає заплутування. Якщо це так, то 1020 атомів солі існували у величезному єдиному заплутаному стані.
ЗАПЛУТУВАННЯ ЗА ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
Квантові ефекти не обмежуються субатомними частинками. Вони виявляються і в експериментах із більшими та нагрітими системами
| ЩО | КОЛИ | ТЕМПЕРАТУРА | ХТО |
| Спостереження інтерференційної картини для бакіболів (фулеренів), що показує: молекули, як і елементарні частинки, поводяться як хвилі | 1999 | 900-1000 K | Маркус Арндт (Markus Arndt), Антон Цайлінгер (Anton Zeilinger) та ін. Віденський університет |
| Прояв заплутування трильйонів (або більше) атомів у магнітній сприйнятливості карбоксилатів металів | 2009 | 630 K | Алехандре Мартіне де Соуза (Alexandre Martins de Souza) та ін. Бразильський центр фізичних досліджень |
| Виявлено, що квантові ефекти підвищують ефективність фотосинтезу у двох видів морських водоростей | 2010 | 294 K | Елізабетта Колліні (Elisabetta Collini) та ін. Торонтський університет, Університет Нового Південного Уельсу, Падуанський університет |
| Встановлено світовий рекорд спостереження квантових ефектів у гігантських молекулах | 2011 | 240-280 K | Стефан Герліх (Stefan Gerlich), Сандра Айбенбергер (Sandra Eibenberger) та ін. Віденський університет |
| Заплутування трьох квантових бітів у надпровідному колі — це може допомогти у створенні квантових систем будь-якого розміру | 2010 | 0.1 K | Леонардо Ді Карло (Leonardo DiCario), Роберт Шелкопф (Robert J. Schoelkopf) та ін. Єльський університет, Університет Ватерлоо |
| Пружну пластинку завдовжки 40 мікронів (ледь видиму неозброєним оком) змусили коливатися одночасно на двох різних частотах | 2010 | 25 мК | Аарон О'Коннелл (Aaron O'Connell), Макс Гофгайнц (Max Hofheinz) та ін. Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі |
| Заплутування в ланцюжках із восьми йонів кальцію, утримуваних в іонній пастці. Зараз це вже робиться для 14 йонів | 2005 | 0.1 мК | Гартмут Геффнер (Hartmut Haeffner), Райнер Блатт (Rainer Blatt) та ін. Інсбруцький університет |
| Заплутування коливальних станів (а не внутрішніх властивостей, таких як спін) в йонах берилію та мангану | 2009 | 0.1 мК | Джон Йост (John D. Jost), Дзеїд Вайнленд (David J. Wineland) та ін. Національний інститут стандартів і технологій |
Щоб уникнути перешкод від хаотичного теплового руху атомів, команда Епплі проводила експерименти за вкрай низьких температур у кілька мілікельвінів. Однак згодом Алсхандре Мартіне де Соуза (Alexandre Martins de Sousa) зі співробітниками з Бразильського центру фізичних досліджень у Ріо-де-Жанейро виявили явище макроскопічного заплутування в речовинах, таких як карбонат міді, за температури вищої за кімнатну. У цих речовинах взаємодія між спінами частинок настільки сильна, що здатна протистояти тепловому хаосу. В інших випадках теплові ефекти вдається пригнітити зовнішньою силою. Фізики спостерігали заплутування в системах дедалі більших розмірів і за дедалі вищих температур, від йонів, захоплених в електромагнітну пастку, до надпровідних квантових комірок пам’яті.
Такі системи подібні до кота Шредінгера. Розгляньмо атом заліза. Його електрони можуть перебувати поблизу ядра або далеко від нього, або і там і там одночасно. Цей електрон аналогічний радіоактивному атому, який може бути одночасно у двох станах у мисленнєвому експерименті Шредінгера. Незалежно від того, як поводиться електрон, увесь атом може рухатися, скажімо, ліворуч або праворуч. Така частинка відіграє роль мертвого або живого кота. Використовуючи лазер для керування атомом, фізики можуть пов’язати дві властивості. Якщо електрон перебуває поблизу ядра, ми можемо змусити атом рухатися ліворуч, а якщо далеко від нього — праворуч. Таким чином, стан електрона пов’язаний із рухом атома, подібно до того, як від радіоактивного розпаду залежить, живий чи мертвий кіт, тільки замість пухнастого ссавця — атом, який може одночасно рухатися ліворуч і праворуч.
В інших експериментах ця базова ідея поширюється на більші системи, коли стани величезної кількості атомів виявляються заплутаними, а система загалом опиняється у стані, який неможливо уявити в межах класичної фізики. І якщо можна здійснити заплутування станів у нагрітих твердих тілах великого розміру, то природно виникає питання, чи можливо це в таких великих і теплих системах особливого типу, як жива тканина.
Птахи Шредінгера
Маленькі працьовиті пташки, європейські вільшанки, щороку здійснюють переліт зі Скандинавії до теплих рівнин Екваторіальної Африки, а навесні повертаються назад. І здійснюють вони цю подорож у 13 тис. км цілком природно і просто.
Людей здавна цікавила загадка, чи мають птахи та інші тварини вбудований компас. Вольфганг і Роевіта Вільчко (Wolfgang Willschko. RoswiLha Wiltschko), подружня пара з Франкфуртського університету в Німеччині, спіймали кількох вільшанок на їхньому шляху до Африки й помістили їх у зовнішнє магнітне поле. На їхній подив, зі зміною напрямку поля вільшанки не могли відрізнити напрямки на північ і на південь. Однак птахи реагували на магнітне нахилення, тобто на кут, який силові лінії поля утворюють із площиною горизонту. Отже, саме цей параметр забезпечував орієнтацію птахів у польоті. Цікаво, що пернаті, яких позбавляли можливості бачити, зовсім не реагували на магнітне поле, тобто птахи якимось чином відчували його очима.
У 2000 р. Торетен Рітц (ThorsLen Ritz) із колегами з Університету Південної Флориди, захоплені вивченням перелітних птахів, припустили, що ключ до розгадки — заплутаність. За їхньою гіпотезою, заснованою на працях Клауса Шультена (Klaus Schulten) з Університету штату Іллінойс, в очах птаха є певні молекули, два електрони яких утворюють заплутану пару з нульовим повним спіном. Подібну ситуацію не можна подати в межах класичної фізики. Коли така молекула поглинає видиме світло, його енергія передається електронам, вони розділяються і стають чутливими до зовнішніх впливів, зокрема магнітного поля. Нахилене магнітне поле по-різному впливає на електрони пари, що створює дисбаланс, який змінює хімічні реакції, у які вступає молекула. Хімічні процеси в оці перетворюють ці відмінності на нервові імпульси, які створюють у мозку птаха зображення магнітного поля.
Докази, запропоновані Рітцом, звісно, не можна вважати прямими, однак експерименти, проведені Крістофером Роджерсом (Crislofer T. Rogers) і Кімінорі Маедою (Kiminori Maeda) з Оксфордського університету в лабораторних умовах (тобто не на живому організмі), показали, що ці молекули справді чутливі до магнітного поля внаслідок заплутаності електронних станів. За обчисленнями, виконаними мною з колегами, квантові ефекти зберігаються в оці птаха протягом 100 мікросекунд, що в цьому контексті є доволі великим проміжком часу. Рекорд для штучно сконструйованої електронно-спінової системи — приблизно 50 мікросекунд. Ми ще не знаємо, як квантові ефекти можуть зберігатися так довго в природних системах, але відповідь на це запитання допоможе нам виробити ідеї щодо захисту квантових комп’ютерів від декогерентності.
Інший біологічний процес, у якому діє заплутаність, — фотосинтез, за допомогою якого рослини перетворюють сонячне світло на хімічну енергію. Світло вивільняє всередині клітини електрони, які прагнуть знайти шлях до одного й того самого місця — центра хімічної реакції, де вони віддають свою енергію й запускають реакції, що забезпечують енергією клітини рослини. Класична фізика не здатна пояснити, як вони роблять це з майже стовідсотковою ефективністю.
Експерименти, проведені кількома групами, наприклад Ґрема Флемінґа (Graham Т. Fleming) і Мохана Саровара (Mohan Sarovar) зі співробітниками з Каліфорнійського університету в Берклі, а також Ґреґорі Скоулза (Gregory D. Scholes) з Університету Торонто, показали, що висока ефективність фотосинтезу визначається квантовомеханічними ефектами. У квантовому світі частинка не зобов’язана в певний момент часу рухатися єдиною траєкторією: вона може рухатися одночасно всіма можливими шляхами. Електромагнітні поля, які існують усередині клітини рослини, можуть призвести до того, що деякі траєкторії гасять одна одну, а інші взаємно підсилюються. Це зменшує ймовірність того, що електрон вибере непотрібну траєкторію, і збільшує шанс його потрапляння безпосередньо до реакційного центра.
У такому разі заплутаність зберігається лише протягом малої частки секунди й охоплює молекули, що складаються не більш як зі 100 тис. атомів. Чи існують у природі приклади, коли заплутаність діє в об’єктах більших розмірів і зберігається довше? Поки що ми цього не знаємо, але пошуки відповіді стимулюють розвиток нового напряму — квантової біології.
Що все це означає?
Шредінгеру висновок про те, що кіт міг бути водночас і живим, і мертвим, здавався абсурдним; будь-яка теорія, яка давала таке передбачення, безсумнівно, була б хибною. Багато поколінь фізиків відчували цей дискомфорт і вважали, що квантова механіка незастосовна до великих об’єктів. У 1980-х рр. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) з Оксфорда припустив, що для об’єктів, важчих за 20 мкг, квантова механіка через дію гравітації поступається місцем класичній фізиці, а тріо італійських фізиків — Джанкарло Ґірарді (Giancarlo Gliirardi) і Томазо Вебер (Tomaso Weber) з Університету Трієста, а також Альберто Ріміні (Alberto Rimini) з Університету Павії — припустило, що класична поведінка великих колективів частинок виникає спонтанно. Однак нові експерименти не узгоджуються із цією гіпотезою. Виявляється, відмінність між квантовим і класичним світами не має фундаментального характеру. Це лише питання мистецтва експерименту, і зараз тільки деякі фізики вважають, що класична фізика збережеться в якихось масштабах. У будь-якому разі загальна думка така: якщо місце квантової фізики займе глибша теорія, то світ постане ще більш суперечним інтуїції, ніж будь-що з того, що ми досі зустрічали.
Отже, той факт, що квантова механіка працює в усіх масштабах, ставить нас перед найглибшими таємницями теорії. Ми не можемо просто відкинути проблеми, що виникають, як незначні деталі, важливі лише за найменших розмірів. Наприклад, простір і час — найфундаментальніші категорії класичної фізики, однак у межах квантової механіки вони вторинні. Первинною виявляється заплутаність квантових станів. Вона встановлює зв’язки між квантовими системами поза просторово-часовими межами. Якби між квантовим і класичним світами існувала межа, то ми могли б використовувати простір і час класичного світу як систему координат для опису квантових процесів. Але без такої межі — і, насправді, без істинно класичного світу — ми втрачаємо цю систему координат. Тоді ми маємо розглядати простір і час як категорії, що якимось чином виводяться з фізики, яка на фундаментальному рівні не має простору й часу.
Просування в цьому напрямі може, своєю чергою, примирити квантову фізику з другим гігантським стовпом фізики — загальною теорією відносності Ейнштейна, яка описує сили гравітації в поняттях геометрії простору-часу. Згідно із загальною теорією відносності, тіла займають у просторі строго визначені положення й ніколи не можуть водночас перебувати в різних місцях — що прямо суперечить квантовій фізиці. Багато фізиків, подібно до Стівена Гокінґа (Stephen Hawking) з Кембриджського університету, вважають, що теорія відносності має поступитися місцем глибшій теорії, у якій простір і час відсутні. При цьому класичний простір-час виникає з квантової заплутаності через процес декогерентності.
Ще цікавішою можливістю видається те, що гравітація — не фундаментальна сила, а залишковий шум, який виникає через квантове розмиття інших сил, що існують у Всесвіті. Ця ідея «індукованої гравітації» сягає 1960-х рр., коли її висунув радянський фізик А. Д. Сахаров. Якщо це так, то гравітація не лише втратить свою фундаментальність, а й усі спроби «квантування» гравітації виявляться безглуздими. На квантовому рівні її може взагалі не існувати.
Наслідки того, що макроскопічні об’єкти, подібні до нас із вами, існують у квантовому світі, настільки приголомшливі, що ми, фізики, поки що перебуваємо в заплутаному стані розгубленості й подиву.
Переклад: А. А. Сорокін
ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА
- Entangled Quantum State of Magnetic Dipoles. S. Ghosh et al. in Nature, Vol. 425, pages 48-51; September4, 2003.
- Entanglement in Many-Body Systems. Luigi Amico, Rosario Fazio, Andreas Ostcrloh and Vlatko Vcdral in Reviews of Modern Physics, Vol. SO. No. 2. pages 517-576; May 6, 200S. Доступно онлайн за посиланням
- Decoding Reality: The Universe as Quantum Information. Viaiko VedraL Oxford University Press, 2010.
Про автора
Влатко Ведрал (Vlatko Vedral) здобув ім’я в науці розробкою нових способів квантування заплутаності та їх застосування до макроскопічних фізичних систем. Він закінчив Королівський коледж у Лондоні й здобув там науковий ступінь. Із червня 2009 р. він перебуває в заплутаному стані посад професора Оксфордського університету та Національного університету Сінгапуру. Окрім фізики, Ведрал із задоволенням проводить час зі своїми трьома дітьми й захоплюється грою на електрогітарі.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (10):
А мне непонятна притча про кота Шредингера - если радиоактивный атом в текущий момент времени может быть или распавшимся, или не распавшимся, то за какой-то промежуток времени он или точно распадётся, и кот умрёт.
Я хотел сказать, что атом, будучи в каждый конкретный момент времени в неопределённом состоянии, тем не менее распадётся (если для этого есть условия) или не распадётся (если условий нет) и кот в масштабе макромира либо умрёт, либо будет жить совершенно определённо и однозначно.
P.S. Но я конечно же, не претендую на критику великого ученого, просто прошу разъяснить.
Атом (и, соответственно, кот) примет определенное состояние только тогда, когда вы его пронаблюдаете (волновая функция схлопнется). До тех пор оба они находтся в неопределенном состоянии.
Думаю, для матушки-природы просто не существует понятия "определенное состояние частицы". Для нее есть понятие "суперпозиция всех возможных состояний", т.е для нее частица находится одновременно во всех возможных состояниях.
Мнение не проффесионала о коте.
Когда мы ничего не знаем, то говорим, что может быть все, что не запрещено, а для универсальности, все смешиваем и называем это суперпозицией. Так и с бедным котом, где мы вдруг придумали фазовый переход еды в отраву (всего 2 состояния !), что случится конечно довольно скоро, если ее не держать в холодильнике. Может ли еда для кота быть одновременно ядом и едой? Не зная начального состояния еды, с точки зрения квантовой теории - да. Что нам это дает - каждая бабка скажет - если протухло уже, то кот сдохнет, т.е. ничего не дает!
Мы сами придумали две крайности - волну и частицу, а что на самом деле и как все устроено в Миру мы не знаем и заменяем это вероятностями, хотя в тех случаях, где мы представляем хоть примерно суть процесса, это закономерно для моделирования и обобщенного описания. Однако этот подход не подходит в случае с котиком Ш., который может описываться статистически, если их будут миллиарды, а что им дали на обед не известно. Вот такой абстрактный кот и будет одновременно и живым и мертвым, но мы то помним, что их конкретных материальных реализаций в природе бесчисленное множество и каждого их них надо по наблюдать, т.е. разделить своего абстактного кота на множество природных объектов. Другими словами - прежде, чем применять "финишные" модели описания явления, надо изучить то, что его порождает и не путать среднестатистический математический объект в своей модели с реально существующим в природе, иначе можно создать лишь поверхностное описание и не понимать суть явлений, что сильно снизит предсказательную силу, а значит и пользу такой модели.
ИМХО
К nefizik от 23 August, 20:12
Э нет, так не честно. :-) Ваше "В реальности же кот или умрет, или будет жить, третьего не дано" - это точно такое же мышление "в соответствии с теорией" (мне больше нравится оборот "в рамках модели"), только с другой. Как оно в реальности на самом деле, мы может и не узнаем. "А была ли ложка" (С) Из Матрицы.
К mrchoo от 31 August, 20:09
немножко не понял, что вы хотели сказать, в смысле не узнаем? или вы полагаете, что одновременно существуют множество параллельных реальностей?