sly2m (sly2m) wrote,
sly2m
sly2m

Характер физических законов на пальцах™ — (2/3) — От относительности к случайности

Вторая часть описания характера физических законов на пальцах™ полностью посвящена эпическому противостоянию двух гениальнейших ученых 20го века, каждый из которых в свое время открыл новый раздел фундаментальной науки, плодами которых мы (и вы) пользуемся сегодня каждую минуту, даже сейчас, читаючи эти строки.

Но плоды в науке дело десятое. Спор плавно перешел в области умозрительного и затронул саму основу бытия, вернув физику к корням натуральной философии. "Что есть реальность?" и "Существует ли Луна, когда на неё никто не смотрит?" Парни не мелочились, полюбить — так королеву, обсуждать — так что–то действительно стоящее того, посвятить жизнь — так, в конечном итоге, на благо всего человечества.



Сможет ли физика вернуть этих зарвавшихся выскочек на место, на грешную Землю в мир наблюдаемых величин и проверяемых экспериментов, или они так и продолжат витать в своих созерцательных философских облаках? У нас есть ответ.



Пока не забыл, еще раз упомяну, что, конечно же, Бор тоже был не один, на его стороне выступили Планк, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули и много кто еще. Вот эти голубчики, физической наружности, практически все в одном месте. И сторонники, и противники, все собрались перед объективом.


Пятый Сольвеевский конгресс, Брюссель 1927го года. (список присутствующих)


Именно они выдумали великую и ужасную квантовую механику, в которой нет ничего определенного, нет ничего абсолютного и все, по идее, возможно, если только осторожно.

Эйнштейн до конца своей жизни так и не смог поступиться принципами. Чувствуя личную ответственность за хромоту абсолютной классической науки, он в штыки встретил идеи того, что мир может оказаться совсем случайным.

Вся квантовая механика (большой раздел физики с кучей эффектов, законов и формул) строится на нескольких довольно простых базовых принципах, как и вся остальная наука, впрочем. Краеугольный камень квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что невозможно одновременно измерить сразу два свойства какой–либо частицы, называемые по–научному некоммутирующими свойствами или некоммутирующими операторами. Например взаимоисключающими оказались координаты положения частицы и ее импульс (т.е. по сути — скорость). Или полная энергия частицы и длительность измерения этой энергии. Или, скажем, спин частицы по разным координатным осям. (Запомните последнее предложение даже если вы не поняли, о чем идет речь, оно нам еще пригодится!)

Из принципа неопределенности Гейзенберга прямо, хоть и не очень интуитивно, вытекает та самая идея, что повергла Эйнштейна в шок — любое событие в квантовом мире истинно случайно. От всей абсолютной классической физики остался работать лишь один "абсолютный" постулат — нет абсолютно никакой возможности предсказать результат любого конкретного эксперимента. Ни малюсенькой. Ни на полшишечки.

Только если повторять эксперимент снова и снова, большое количество раз — сто, двести, триста экспериментов подряд, начинают выявляться какие–то паттерны и закономерности.

Приведу пример. Скажем у нас есть какая–то микроскопическая частица (например, электрон или фотон) и он летит из точки А в точку В. Летит по прямой (казалось бы) траектории, отчего в середине пути он должен оказаться в точке C, которая по логике (ха–ха–ха, логике...) должна бы находиться ровно посредине отрезка АВ. А теперь поставьте настоящий эксперимент. Это вполне в наших силах, мы можем взять один единственный электрон или фотон, пустить его по пути АВ и замерить, пролетал ли он через точку С. На кухне, конечно, подобный опыт не проведешь, но аппаратура для него совсем не суперсложная, такие опыты проводились еще в начале прошлого века, сейчас подобное доступно любому школьному учителю физики.

Так вот, если мы таки осуществим этот несложный эксперимент, электрона в точке С (посредине между А и В) мы не обнаружим! Или может быть обнаружим, как повезет. Скажу больше. В каждом конкретном опыте мы будем находить этот электрон в совершенно разных точках D, E, F и даже Z. То на миллиметр левее точки С, то на сантиметр правее. У электрона вообще нет четкой определенной траектории движения, в каждом новом опыте он летит по другому маршруту. Может так статься, что в итоге его обнаружат в галактике Андромеды!



Правда, следует заметить, что шанс электрону, летящему из точки А в точку B, залететь вдруг в галактику Андромеды весьма мал. Чудовищно, невообразимо, уничижительно мал. И если мы проведем 100 опытов, в 50ти из них электрон таки обнаружится в точке С, точно посредине отрезка. А в 25ти в точке D, в миллиметре (или микрометре) от точки С. А в 10ти в точке E, в двух мили–микро–метрах от точки С. Для обнаружения электрона в соседней галактике придется провести миллионы и миллиарды опытов. Миллиарды триллионов опытов. А может и не придется, шанс он всегда есть, вдруг прямо в первой сотне попадется?

Улавливаете паттерн? Если провести много опытов (в смысле один и тот же опыт много раз), квантовая механика все–таки подчиняется вполне строгим, и даже интуитивно немного понятным законам, только делает она это — статистически, т.е. грубо говоря, в среднем. Результат же каждого конкретного опыта угадать наперед совершенно невозможно.

И это не следствие несовершенства измерительных приборов или влияние каких–то неучитываемых нами факторов, вроде сопротивления воздуха и т.д.
Это принцип устройства мира, так природа работает на уровне элементарных частиц.

Конечно, Эйнштейн был категорически против подобных идей. Мысль, что в основе законов мироздания лежит принцип абсолютной случайности ("Бог играет в кости") был серьезным ударом серпом по его достоинству и самолюбию.

— Как узнать наперед, по какой же траектории полетит электрон в эксперименте? — думал Эйнштейн. — По логике, нужно узнать все параметры движения, с которыми он вылетел из точки А, и тогда мы точно сможем предсказать, где он окажется через какое–то время. Но как можно одновременно знать все начальные параметры, например скорость электрона и его точное положение в пространстве, если принцип неопределенности Гейзенберга это строго–настрого запрещает? Значит, этот принцип неверен, — решил Эйнштейн, — из–за него все последующие непредсказуемые случайности и происходят. И стал думать в этом направлении, стал копать под Гейзенберга.

Эйнштейн сказал: "Давайте проведем следующий эксперимент. Сначала мысленно, а потом и натурально. Пусть из точки А вылетела частица, которая где–то по пути развалилась на две другие." (так бывает, в физике элементарных частиц подобные вещи происходит постоянно. Правда не конкретно с электроном, но не суть).
"Тогда мы сможем одновременно измерить у одной частицы ее координаты, а у другой — ее скорость. Ничто не помешает нам этого сделать, частицы–то разные, это у одной частицы нельзя единовременно произвести такое измерение, а у двух вполне можно. В этом случае мы узнаем, что хотели, про параметры изначальной развалившейся частицы, ведь закон сохранения импульса никто не отменял, он работает и в квантовой механике. Или, скажем, поступим так. До того, как частица развалилась на части, мы измерим ее скорость, а у первой из развалившихся узнаем ее координаты. Тогда опять–таки сложив два плюс два, мы точно сможем узнать абсолютно все начальные параметры второй развалившейся частицы, ничего непосредственно у нее не меряя и тем самым не внося никаких возмущений в поведение этой частицы своими измерительными приборами, а значит, сможем с феноменальной точностью предсказать — куда и как она полетит."



Нильс Бор поначалу офигел от такой наглости, от такого простого и неожиданного решения проблемы, но потом подумал, подумал и говорит: — "Нет, Альбертушка. После того, как первоначальная частица развалилась на две части, эти части остались одной квантовой системой. Частицы стали квантово сцеплены друг с другом, или как сейчас говорят — квантово запутаны. Если мы измеряем какой–то параметр у одной частицы, мы точно так же опосредованно измеряем его и у другой". То есть первая частица как бы сообщает второй: — "Меня тут только что измерили! Эти сволочи узнали мою скорость! Умри, но не дай им измерить твою координату, иначе явка провалена и Гейзенбергу конец!" Причем сообщает она все это как уже повелось — быстрее скорости света (да что там — реально мгновенно), на любом расстоянии и без всяких посредников в виде электромагнитных или каких иных волн. Просто "сообщает" и все тут.

Настало время офигевать Эйнштейну. "Нильс, ты давай это... Давай того... Не безобразничай! Я понимаю, что у нас тут квантовая механика, а, стало быть, по большому счету — черте что и сбоку бантик. Я понимаю, что никто не понимает, как она работает, все только притворяются и морочат друг другу головы, будто бы понимают. Однако ври, ври, но меру–то знай! Какая еще квантовая запутанность, с такими фантазиями мы положим конкретный болт на все, что мы знали до сих пор об окружающей природе и ее законах! Признайся, ты все это выдумал, чтобы не признавать себя побежденным!"

Но если в начале века, на заре зарождения квантовой механики, разговоры велись все больше в виде философствований и мысленных рассуждений, то к 20м–30м годам стали появляться результаты первых экспериментов, которые показали — частицы действительно "запутаны". Поистине первая частица всегда "знает", что происходит с ее запутанной сестрой, причем не только знает, но и ведет себя соответствующе. Когда у первой частицы меняются какие–то свойства, получается так, что они автоматически меняются и у второй.

В этом месте Эйнштейн вынужден был чуть подуспокоиться, с данными не поспоришь, но этот хитрый перец плавно перевел спор в несколько иную плоскость. На всякий случай еще раз напомню, Эйнштейн, конечно, гений и все–такое, но одному ему было не справиться, и в этом конкретном умственном усилии ему помогали физики Борис Подольский и Натан Розен, а весь мысленный эксперимент они в 1935м году придумали и назвали своими фамилиями "парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена" или ЭПР–парадокс.

ЭПР (Эйнштейн с Подольским и с Розеном) решили уйти от неопределенности координаты и скорости (их не так просто измерять, кстати), а сосредоточились на таком свойстве любой элементарной частицы (включая электрон или фотон) как спин. Помните, я говорил, что неопределенность спина точно так же подчиняется закону Гейзенберга, как и другие параметры квантовой системы? Сейчас я не хочу вдаваться в подробности, что такое спин и как он изменяется, хотя в следующей части статьи мне придется это сделать более детально, все еще оставаясь в категории простых аналогий на пальцах™. Но покуда не будем забираться слишком глубоко, пока достаточно знать, что у любой частицы есть спин, и он бывает, грубо говоря, "вверх" или, так же грубо говоря — "вниз". "Вверх" и "вниз" это лишь слова, далее будет чуть более понятно, что они означают, сейчас же нам важно то, что в любой запутанной паре частиц спины всегда противоположны. Если одну из квантово спутанных частиц поймали, измерили ее спин, и он оказался, скажем, "вверх", значит к гадалке не ходи, у второй частицы из запутанной пары, где бы она в этот момент не находилась, он будет точно "вниз". Тут даже измерять не нужно, это получается просто по умолчанию.

И вот Эйнштейн говорит Бору: "Смотри, ты говоришь, что в момент, когда мы поймали и измерили спин у первой частицы, она в этот самый момент измерения магическим образом (черт бы побрал это "жуткое дальнодействие", цитата самого Альберта Эйнштейна) сообщает об этом происшествии своей сестре, и та в эту же секунду, наплевав на преграды, расстояния и закон, запрещающий передавать информацию быстрее скорости света, который я лично придумал, назвал своим именем и создал на его основе Теорию Относительности, проверенную, замечу, многочисленными(!) наблюдениями, так вот, эта запутанная сестра принимает сообщение и тут же меняет свой спин на такой, чтобы оказаться противоположным измеренному. Так?"

— Так, — отвечает Бор.

— Ну, камон! Нильс, ведь ты же Нобелевский лауреат (как и я сам, впрочем)! Давай побреемся, помолясь и не станем плодить лишних сущностей, давай признаем, что все гораздо проще. Вот, представь, была у нас с тобой коробка обуви (первоначальная частица), в которой лежали две кроссовки фирмы "Адидас". Ну, хорошо, хорошо, не "Адидас", такой фирмы еще 13 лет как не придумали, пусть это будут NoName кроссовки, а то и вовсе кирзовые сапоги. И вот, коробка открылась (частица развалилась), правый сапог полетел направо, левый, соответственно, налево. Через какое–то время ты поймал правый сапог, убедился в том, что он правый и кричишь мне — смотри, Альберт, в эту секунду правый сапог "передает сообщение" левому о том, что он решил стать правым, и что левый должен стать левым... Но это же полная ерунда! Правый всегда был правым. А левый всегда был левым. И сначала, пока они лежали в коробке и позже, когда коробка развалилась. Нет никакой квантовой запутанности, нет никакой мгновенной передачи сообщений между сапогами. И значит (тут Эйнштейн снова невзначай перевел разговор на старые рельсы) нет никакой неопределенности Гейзенберга. Все уже решено до нас. Частицы (сапоги) изначально были разными, одна со спином "вверх", другая со спином "вниз". Один правый, другой левый, два веселых сапога!



— Как так получилось, — продолжил Эйнштейн, — что мы никак не знаем, какая из частица "вверх", а какая "вниз", или какой сапог "правый", а какой "левый", покуда мы не поймали частицы и не измерили, или пока не подняли сапоги и не примерили на ногу — я все еще не до конца понимаю. Как они умудрились изначально так договориться нам неведомо, назову–ка я эту ситуацию "теорией скрытых параметров". Но это и не главное. Главное, что не существует никакого "дальнодействия на расстоянии", ничего не передается между частицами и сапогами быстрее скорости света, у меня от этой мысли изжога начинается и вся Теория Относительности раскачивается и поскрипывает. А, значит, нет никаких неопределенностей на фундаментальном уровне. То, что мы не знаем, правый перед нами сапог или левый до непосредственного измерения этой информации, не дает нам права говорить, что этих свойств у них не было изначально, что природа вещей фундаментально случайна. Законы физики детерминированы и абсолютны, сапог всегда или правый или левый. Знаем мы это заранее или нет — это наши, человеческие слабости и заморочки. Как сказать, возможно в будущем наступит светлое время, когда мы научимся определять вид сапога не надевая его на ногу, значит параметры перестанут быть скрытыми и мы сможем познать окружающий мир полностью и до конца. Без всех этих неопредленностей, дальнодействий и прочей квантовой галиматьи.

А Бор не соглашается: — Нет, Альберт. Я свято верю в постулаты квантовой механики и самому Гейзенбергу лично. Он ведь мой персональный ученик и тоже Нобелевский лауреат, кстати. А я плохому ученика не научу, слово Гейзенберга крепко настолько, насколько крепко мое слово. Если принципы квантовой механики говорят, что для того, чтобы оставалась неопределенность, сапоги должны обмениваться сообщениями — так тому и быть! По моей теории до примерки сапог находится в неопределенности в том смысле, что он сам еще не определился, правый он или левый. Момент истины настает в момент измерения, т.е. собственно примерки. Только в данную секунду сапог истинно случайным образом решает каким ему стать, правым или левым, и тут же сообщает о своем решении своей паре, которая до этого мгновения тоже была в непонятках. В мире сапогов и элементарных частиц не существует назначенных неизбежностей, нет заранее уготовленных ролей, будущее не определено, и у сапогов нет судьбы, кроме той, что они творят себе сами. Вот увидишь, не пройдет и сотни лет, как эту глубоко философскую фразу повторит Кайл Риз в разговоре с Сарой Коннор, когда они вдвоем убегают от Терминатора, ну, который айлбибек. А уж отцу Спасителя человечества я доверяю даже больше, чем самому Гейзенбергу.

— Ну, хорошо, — заключает Эйнштейн. — Ты говоришь одно, я говорю другое. Я утверждаю, что сапоги сразу были разные, ты говоришь, что они творят свою судьбу и выбирают ее непосредственно в процессе измерения. Мое слово против твоего. А как мы решим, кто из нас ошибается? Покуда мы не измерили, т.е. не примерили сапоги на ногу, знания об их "право–левости" нам недоступны. Знают ли об этом сами сапоги, природа или Бог, или определяются по ходу дела — для нас не имеет никакого значения. Что так, что эдак, результат эксперимента будет один и тот же, кто же окажется прав в итоге?

— Да, пожалуй никак. — отвечает Бор. — Мы с тобой сами загнали друг друга в неразрешимый тупик, ну ее к черту, эту квантовую механику, пойдем лучше по пиву!

— Датскому?

— Немецкому, дружище, немецкому!

И они оба отправились в паб, так как в жизни были закадычными друзьями, чего не скажешь об их научной деятельности. Эйнштейн умер через 20 лет после упомянутых событий в 1955м году, Бор через 27 лет в 1962м. Ни один ни второй так и не узнали, чем же решился их вековой спор о самой природе физических законов, об их фундаментальной основе, случайность правит миром или четкая детерминированность, кто же в конце концов оказался прав, а кто не очень.

А вы хотите знать ответ? Он весь умещается всего в двух словах, но вот что же означают эти два слова, оказывается, не так–то легко разобраться.
Без объяснения на пальцах™ здесь никак не обойтись (в третьей части).


Эта тема также интересна:

http://ncuxuamp-pro.livejournal.com/


Tags: авторский материал, бесполезные знания, на пальцах, наука
Subscribe

Posts from This Journal “на пальцах” Tag

  • Темная материя на пальцах™

    эпиграф Вихри враждебные веют над нами, Темные силы нас злобно гнетут. Варшавянка Что такое темная материя? Ответ под катом. Сразу начну со…

  • Об истинных размерах черных дыр на пальцах™

    Эпиграф: Как известно, снаружи институт выглядел двухэтажным. На самом деле в нём было не менее двенадцати этажей. Выше двенадцатого я просто…

  • Почему время течет вперед на пальцах™

    Задумывались, почему время всегда движется вперед? Все знают, в отличие от железобетонного и неизменного времени механики Ньютона, в Теории…

  • Элементарные частицы на пальцах™

    эпиграф "Весь мир лишь атомы и пустота" Демокрит -400 год Все тела состоят из атомов. Атомы находятся в бесконечной пустоте и при…

  • Про нобелевку 2015 на пальцах™

    Нобелевскую премию по физике (как мы все с вами понимаем - главную из всех нобелевских премий) в 2015м году получили японец Такааки Кадзита и…

  • Гравитационные волны на пальцах™

    эпиграф То крылом волны касаясь, то стрелой взмывая к тучам, он кричит, и — тучи слышат радость в смелом крике птицы. М. Горький…

  • Число Грэма на пальцах™

    эпиграф Если долго всматриваться в бездну, можно неплохо провести время. Инженер Механических Душ Как только ребенок (а это происходит где–то…

  • Голографическая Вселенная на пальцах™

    Возможно вы слышали краем уха такие заявления, что, мол, "наш мир всего лишь голограмма". Заява сама по себе довольно мощная, но люди чаще…

  • Ложный вакуум на пальцах™

    Если вы вдруг следите за научными и околонаучными новостями, возможно натыкались на очередную страшилку от Стивена Хокинга. Он там снова грозит…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 18 comments