ОТ КОТА ШРЁДИНГЕРА ДО МУЛЬТИМИРОВ ЭВЕРЕТТА. Работа №53949

ОТ КОТА ШРЁДИНГЕРА ДО МУЛЬТИМИРОВ ЭВЕРЕТТА

Сарчакова Лариса Николаевна, учитель математики и физики, МБОУ «Солнечная СОШ»

Данная публикация посвящена актуальной проблеме отсутствия мотивации у школьников к учебе. Заинтересовать ребят учиться, привить любовь к точным наукам, а именно к физике, сегодня нелегко. В самой статье затронут научный подход к вопросу бессмертия человека.

Ключевые слова: квантовая механика, квантовое бессмертие, многомировая интерпретация, суперпозиция.

Что общего у всех людей? Вариантов ответов на этот вопрос множество. Но есть свойство, которое одинаково в любой точке пространства и времени: мы смертны — и мы думаем о смерти. Первое присуще всему живому, второе (за недоказанностью противоположного) свойственно только роду homo.

Перерождение, нирвана, рай и ад — все религии и философские концепции, так или иначе, отвечают на проблему смертности человека: кто мы? – зачем мы? – что происходит, когда умирает наше тело?

В наше время, в мире скоростей и технологий, никто не застрахован от внезапной смерти, тем более в настоящее время, в нашей стране, когда идет спецоперация на Украине, когда на поле боя и вне его погибают люди. Поэтому проблема поиска человеком способов продления жизни мне показалась актуальной и интересной.

С каждым человеком случаются такие ситуации, когда машина проносится слишком близко к тебе, или рядом что-то большое падает с большой скоростью, и ты думаешь, что это было слишком близко, и ты в этот момент мог умереть. Но ты идешь дальше, ты живой. А возможно ли такое, что ты вообще не умрешь вне зависимости от ситуаций, которые с тобой произошли. Что, если я скажу вам о том, что бессмертие не такое уж фантастическое понятие, и сейчас речь идет не о каких-то футуристических криокапсулах и прочей фантастике, а о том, что может существовать в нашем современном мире, ну или почти в нашем. Эта идея настолько обширна, что для ее объяснения нужно будет затронуть все известные нам миры и даже теорию мультивселенной.

В XX веке список представлений о возможном бессмертии обогатила теория квантовой физики, вернее, одна из её интерпретаций. Оговорим сразу: речь идет исключительно о научной трактовке – мы живем в мире квантовых представлений о мире уже больше ста лет со времен открытий Планка, Бора и Эйнштейна, и я не буду вторгаться в область мистических теорий, буйно расцветших на ниве квантовой теории.

Чтобы начать путь к осознанию понятия квантового бессмертия, придется начать издалека. Квантовое бессмертие потому так и называется, что объяснить его можно лишь в квантовом мире.

Ученые в квантовой механике разделяют наш мир на несколько миров. Макромир - это мир, который мы видим. Тетрадь, рука, дерево, друзья - всё это объекты макромира. Мегамир - мир больших объектов: звёзд, планет, галактик. Микромир - мир частиц: атомов, молекул, фотонов, электронов. Мы все состоим из них, поэтому между микромиром и макромиром нет чётко выделенной границы.

Мы живем в обычном мире, где ездят машины, летают самолеты, и мы привыкли, что везде все должно работать по законам физики, а если где-то это перестает работать, то для нас это мистика и мы в это не верим. Законы классической ньютоновой механики утверждают, что находиться в двух местах одновременно нельзя.

Законы квантовой механики, то есть законы частиц могут отличаться от законов обычной, классической физики, потому что частицы ведут себя не так, как объекты макромира. В этом мире быть сразу в двух местах одновременно не только можно, но и свойственно квантам – по-другому и не бывает. Частицы могут находиться в состоянии квантовой суперпозиции. Когда частица находится в суперпозиции, она может находиться в множестве (до бесконечности) состояний одновременно.

Говоря простым языком, квантовая частица повернута сразу во всех направлениях, пока ученые на нее не посмотрят. В этот момент она принимает одно положение и начинает вести себя вполне естественно, двигаясь в одном направлении. Если мы посмотрим на нее еще раз, то направление снова может измениться, и теперь она будет двигаться уже в другую сторону. Из этого можно сделать вывод, что частица находится одновременно во всех позициях, в суперпозиции, пока на нее не будет оказано какое-либо воздействие из вне. В нашем случае это наблюдение. Скажете, что мы не оказываем никакого влияния, просто наблюдая? Отвечу, что это не так. Оптика, через которую мы и следим за частицами, и даже наш взгляд воздействуют на них, заставляя выбрать определенную позицию.

Но возможна ли суперпозиция для макроскопический объектов? Да, возможна. Наш макромир состоит из микромира, поэтому физики считают так.

В суперпозиции будет находиться и монета, если мы подбросим её. Шанс того, что выпадет «орёл» или «решка», равен 50%. И пока мы не увидим, что нам выпало, для нас монета будет показывать одновременно и орла, и решку.

Кот Шрёдингера – это мысленный эксперимент, предложенный одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером в 1935 году при обсуждении физического смысла волновой функции. Шрёдингер взял обычную коробку и поместил туда кота. Суть заключалась в том, что внутри находилась емкость с опасным химическим веществом, которое, при открытии, могло кота убить. Также внутри находился прибор для измерения радиации – счетчик Гейгера, на который был установлен механизм – молоток на веревке. И самый главный элемент – радиоактивное вещество, которое распадалось. Из ядерной физики известно, что распад вещества – процесс случайный и его нельзя предсказать. Если оно распадалось, то счетчик Гейгера фиксировал радиацию, молоток, привязанный к нему, срывался и разбивал колбу, кот умирал. Если вещество не распадалось, кот оставался жив. По теории вероятности мы получаем шанс 50% на 50%.

Но пока мы не откроем коробку, кот будет одновременно "и жив, и мёртв", то есть в состоянии суперпозиции. Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно, но согласно законам физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым. Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.

Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы потроллить коллег. Его кот демонстрировал, что при взгляде на квантовые закономерности из макромира получается форменная антиинтуитивная бредятина.

Однако прошло время и выяснилось, что никакого противоречия здесь может и не быть. Пионером на этом пути стал физик Хью Эверетт III. Он в 1957 году предположил такое объяснение фактов современной квантовой физики, при котором допускается существование бесконечного множества параллельных миров, где реализованы все варианты развития событий на всех физических уровнях — от квантов до людей, галактик и их скоплений.

Согласно знаменитому современному физику, каждый раз измеряя (наблюдая) реальность, мы вторгаемся в микромир и «заставляем» кванты «выбирать» лишь одно из состояний, в которых они пребывают. То есть, мы буквально расщепляем мир на несколько параллельных вселенных. В каждой из них кванты оказываются в разных состояниях. Причём все эти новообразованные реальности абсолютно равнозначны.

Так, к примеру, выбирая между стаканом воды и сока, мы создаём параллельные вселенные, в одной из которых мы выбираем сок, в другой — воду, а в третьей решаем ничего не пить и ложимся спать. И так — до бесконечности.

Идея о бесчисленном множестве параллельных вселенных принесла Хью Эверетту докторскую степень в области философии.

Все объекты макромира также состоят из квантов. Почему же тогда квантовые законы не распространяются на макрообъекты? На этот счет существует несколько научных интерпретаций. В университетах представляют кратко разные взгляды на квантовую механику, но конкретно какую-то интерпретацию не представляли, как "истину", ведь без разницы как ты себе это представляешь, математическая часть остаётся одинаковой. Консенсуса о "глубоком понимании" квантовой механики в научном сообществе пока нет.

Я выделю две основные интерпретации: Копенгагенская интерпретация, и мультимировая интерпретация Эверетта. Копенгагенская интерпретация утверждает, что: а) квантовая механика имеет вероятностный характер; б) мы ничего не можем сказать о состоянии частицы, пока её не наблюдаем; в) во время измерения частицы происходит коллапс волновой функции, и частица начинает вести себя не как волна, а как точечная частица. Это происходит, потому что атомы измерительных приборов взаимодействуют с частицей.

Критику в сторону копенгагенской интерпретации проявил ещё Альберт Эйнштейн. Он чувствовал, что эта интерпретация не является верной. Поэтому у Эйнштейна и Борна возник большой спор по поводу верности копенгагенской интерпретации. Одним из главных аргументов Эйнштейна была его коронная фраза: «Действительно ли вы считаете, что Луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите?». Ведь по Копенгагенской интерпретации мы ничего не можем сказать о местоположении частицы, пока мы её не наблюдаем, что Эйнштейн считал абсолютно нелогичным. А ещё коллапс волновой функции противоречит теории относительности Эйнштейна.

Многомировая интерпретация предполагает, что: а) вселенная – квантовая суперпозиция; б) каждый раз, когда состояние объекта в итоге может быть разным, Вселенная расщепляется на множество; в) существуют параллельные миры, в которых все законы природы одинаковы; г) коллапса волновой функции не существует.

Многомировую интерпретацию подтверждают например парадокс Вигнера. Этот парадокс является расширенной версией "Кота Шрёдингера". Вигнер вводит ещё группу друзей. Представим себе, что учёный открыл коробку с котом и увидел, что кот жив. Но его друг не знает, жив кот, или мёртв, и только после звонка учёного он узнаёт, что кот жив. Для остальных друзей кот "и жив, и мёртв", пока они не узнают результат от учёного. Но при этом вся Вселенная тоже не знает результата и для неё кот тоже "и жив, и мёртв". То есть, вся Вселенная находится в квантовой суперпозиции, что и утверждает многомировая интерпретация Эверетта.

А теперь представьте, что вместо кота в этой коробке оказались вы. Эксперимент идет, и вы сидите рядом с опасной кислотой, пары которой могут убить вас в любой момент. Вы не знаете, произойдет ли это наверняка, но при этом боитесь и ждете смерти каждую секунду. А что, если я скажу вам, что вы зря боитесь? Что вы попросту не можете умереть, пока эксперимент продолжается. Помните о принципе суперпозиции? В данный момент времени в вашей конкретной вселенной вы и живы, и мертвы одновременно для всех окружающих. Поэтому вы не можете быть стопроцентно мертвым, пока участвуете в эксперименте. По крайней мере, в этой вселенной.

Как нам известно, эксперимент закончится лишь тогда, когда кто-то откроет коробку. Ваша жизнь или смерть определится наблюдателем лишь в тот момент, когда он посмотрит на вас и зафиксирует ваше состояние в своей вселенной. До того момента, пока идет эксперимент, вы не умрете. Иначе не будет никакой суперпозиции, и теория станет противоречить сама себе. Однако, согласно многомировой интерпретации, если человек умирает, то появляется другая вселенная, где человек выживает и продолжает жить своей жизнью. На этом моменте мы и сталкиваемся с квантовым бессмертием. Авторами термина «квантовое бессмертие» стали (независимо друг от друга) физики Ганс Моравек и Бруно Маршал в 80-е годы прошлого столетия. Ближе к нашему времени (1997) его в расширенном виде изложил теоретик из Принстона Макс Тегмарк.

Квантовое бессмертие – это мысленный эксперимент, который утверждает, что человек бессмертный, потому что до смерти мир расщепится на множество, а участник может существовать только в том мире, где он остался жив.

А теперь вспомните тот момент из своей жизни, когда вы находились на грани смерти. И только вдумайтесь, что где-то во вселенной может существовать тот мир, где все пошло не по плану, вы погибли и не стали расти, развиваться, заводить новых знакомых, ведь вас там не существует. Но вы этого уже никогда не узнаете, ведь эксперимент все еще идет, вы все еще живы, и ни одна сила в мире, ни даже сама вселенная не сможет убить вас, пока опыт не закончится. Это сложно до конца осознать, но именно в этом и состоит смысл квантового бессмертия.

Ведь сама пара жизнь — смерть является той самой суперпозицией, и когда мы её наблюдаем, мир расщепляется. В одном мире кванты тела принимают позицию “мёртвый”, а в другом – “живой”. Эвереттовская интерпретация квантовой физики активно развивается современной наукой. Одна из моделей квантового компьютера основана именно на этой концепции.

Помните, что все это лишь теория, и эксперимент этот тоже мысленный. Но согласитесь, теперь у вас будет над чем подумать на досуге, а значит и моя статья написана не зря.