5. Мысленный эксперимент Эрвина Шредингера. В ящик помещают кошку, флакон со смертельным ядом, источник радиоактивного излучения и счетчик заряженных частиц. Эксперимент поставлен так, что регистрация частицы может привести в действие механизм, разбивающий флакон. Что произойдет с животным с квантовой точки зрения? Теория утверждает, что кошка в ящике ни жива, ни мертва, но пребывает в суперпозиции этих двух состояний, взятых с некоторой вероятностью. Вершителем судьбы бедного животного окажется некий наблюдатель, решивший «заглянуть» в ящик. В момент наблюдения волновая функция кошки сколлапсирует в какое-то определенное состояние.

В закрытом ящике сидит кошка. Там же находятся флакон с ядом, источник излучения и счетчик заряженных частиц, подсоединенный к устройству, разбивающему флакон в момент регистрации частицы. Если яд разольется, кошка погибнет. Зарегистрировал счетчик частицу или нет, мы не можем знать в принципе: законы квантовой механики подчиняются законам вероятности. И с этой точки зрения, пока счетчик не произвел измерения, он находится в суперпозиции двух состояний - "регистрация - нерегистрация". Но тогда в этот момент и кошка оказывается в суперпозиции состояний жизни и смерти.

В действительности, конечно, реального парадокса здесь быть не может. Регистрация частицы - процесс необратимый. Он сопровождается коллапсом волновой функции, вслед за чем срабатывает механизм, разбивающий флакон. Однако ортодоксальная квантовая механика не рассматривает необратимых явлений. Парадокс, возникающий в полном согласии с ее законами, наглядно показывает, что между квантовым микромиром и классическим макромиром имеется некая промежуточная область, в которой квантовая механика не работает.

Итак, несмотря на несомненные успехи квантовой механики в объяснении экспериментальных фактов, в настоящий момент она едва ли может претендовать на полноту и универсальность описания физических явлений. Одной из наиболее смелых альтернатив квантовой механики и стала теория, предложенная Дэвидом Бомом.

Задавшись целью построить теорию, свободную от принципа неопределенности, Бом предложил считать микрочастицу материальной точкой, способной занимать точное положение в пространстве. Ее волновая функция получает статус не характеристики вероятности, а вполне реального физического объекта, некоего квантовомеханического поля, оказывающего мгновенное силовое воздействие. В свете этой интерпретации, например, "парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена" перестает быть парадоксом. Все законы, управляющие физическими процессами, становятся строго детерминистскими и имеют вид линейных дифференциальных уравнений. Одна группа уравнений описывает изменение волновых функций во времени, другая - их воздействие на соответствующие частицы. Законы применимы ко всем физическим объектам без исключения - и к "наблюдателям", и к "наблюдаемым".

Таким образом, если в какой-то момент известны положение всех частиц во Вселенной и полная волновая функция каждой, то в принципе можно точно рассчитать положение частиц и их волновые функции в любой последующий момент времени. Следовательно, ни о какой случайности в физических процессах не может быть и речи. Другое дело, что мы никогда не сможем обладать всей информацией, необходимой для точных вычислений, да и сами расчеты оказываются непреодолимо сложными. Принципиальное незнание многих параметров системы приводит к тому, что на практике мы всегда оперируем некими усредненными величинами. Именно это "незнание", по мнению Бома, заставляет нас прибегать к вероятностным законам при описании явлений в микромире (подобная ситуация возникает и в классической статистической механике, например в термодинамике, которая имеет дело с огромным количеством молекул). Теория Бома предусматривает определенные правила усреднения неизвестных параметров и вычисления вероятностей.

Вернемся к экспериментам с электронами, изображенным на рис. 3 А и Б. Теория Бома дает им следующее объяснение. Направление движения электрона на выходе из "вертикального ящика" полностью определяется исходными условиями - начальным положением электрона и его волновой функцией. В то время как электрон движется либо вверх, либо вниз, его волновая функция, как это следует из дифференциальных уравнений движения, расщепится и станет распространяться сразу в двух направлениях. Таким образом, одна часть волновой функции окажется "пустой", то есть будет распространяться отдельно от электрона. Отразившись от стенок, обе части волновой функции воссоединятся в "черном ящике", и при этом электрон получит информацию о том участке пути, где его не было. Содержание этой информации, например о препятствии на пути "пустой" волновой функции, может оказать существенное воздействие на свойства электрона. Это и снимает логическое противоречие между результатами экспериментов, изображенных на рисунке. Необходимо отметить одно любопытное свойство "пустых" волновых функций: будучи реальными, они тем не менее никак не влияют на посторонние объекты и не могут быть зарегистрированы измерительными приборами. А на "свой" электрон "пустая" волновая функция оказывает силовое воздействие независимо от расстояния, причем воздействие это передается мгновенно.

Попытки "исправить" квантовую механику или объяснить возникающие в ней противоречия предпринимали многие исследователи. Построить детерминистскую теорию микромира, например, пытался де Бройль, который был согласен с Эйнштейном, что "Бог не играет в кости". А видный отечественный теоретик Д. И. Блохинцев считал, что особенности квантовой механики проистекают из-за невозможности изолировать частицу от окружающего мира. При любой температуре выше абсолютного нуля тела излучают и поглощают электромаг нитные волны. С позиций квантовой механики это означает, что их положение непрерывно "измеряется", вызывая коллапс волновых функций. "С этой точки зрения никаких изолированных, предоставленных самим себе "свободных" частиц не существует, - писал Блохинцев. - Возможно, что в этой связи частиц и cреды и скрывается природа той невозможности изолировать частицу, которая проявляется в аппарате квантовой механики".

И все-таки — почему же интепретация квантовой механики, предложенная Бомом, до сих пор не получила должного признания в научном мире? И как объяснить почти повсеместное господство традиционной теории, несмотря на все ее парадоксы и «темные места»?

6. Эксперимент, предложенный Д. Бомом и Я. Аароновым в 1959 году, должен был показать, что магнитное поле, недоступное для частицы., влияет на ее состояние. В однородном пространстве расположен бесконечно длинный тонкий соленоид. Магнитное поле внутри соленоида имеет форму тонкой нити, как бы. «выдернутой» из пространства. Когда мимо соленоида пролетает электрон, его волновая функция расщепляется на две — «пустую» и связанную с электроном. Они обходят поле с обеих сторон и воссоединяются. Если дебройлевская волна—реальность, а не просто характеристика вероятности, то при таком ее движении возникнет разность фаз, которая приведет к интерференции. Электрон как бы провзаимодействует сам с собой, и по изменению его состояния можно будет судить о препятствии на его пути. Эксперименты, по наблюдению эффекта Ааронова — Бома неоднократно проводились начиная с 60-х годов, вначале на соленоиде диаметром около 14 микрон, затем — на тороидальных магнитах и квантовых интерферометрах. Все они надежно подтвердили существование эффекта.

Современная квантовая теория формально объясняет эффект тем, что уравнение Шредингера для волновой функции заряженной частицы во внешнем электромагнитном поле содержит потенциал этого поля. Величина потенциала определяет фазу волновой функции и приводит к возникновению интерференции даже без прямого воздействия поля на частицу.

Долгое время новую теорию не хотели рассматривать всерьез на основании того, что в предсказании исхода конкретных экспериментов она полностью совпадает с квантовой механикой, не приводя к существен но новым результатам. Вернер Гейзенберг, например, считал, что "для любого опыта его (Бома) результаты совпадают с копенгагенской интерпретацией. Отсюда первое следствие: интерпретацию Бома нельзя опровергнуть экспериментом..." Некоторые считают теорию ошибочной, так как в ней преимущественная роль отводится положению частицы в пространстве. По их мнению, это противоречит физической реальности, ибо явления в квантовом мире принципиально не могут быть описаны детерминистскими законами. Существует немало и других, не менее спорных аргументов против теории Бома, которые сами требуют серьезных доказательств. Во всяком случае, ее пока что действительно никому не удалось полностью опровергнуть. Более того - работу над ее совершенствованием продолжают многие, в том числе отечественные, исследователи.

Автор: А. ШИШЛОВА. По материалам журналов "Успехи физических наук" и "Scientific american"
xstyles.ru/fakty

ЧАСТЬ ВТОРАЯ, Философская.

Никогда еще человечество не подходило так близко к научному раскрытию Великой Тайны Основы Основ. Но нас здесь интересуют не столько научные или технические аспекты вопроса, сколько философские. Основной из них - место хомо сапиенс как разумного существа во Вселенной. Представляется крайне интересным построить на основе единой физической модели всеобщую философскую картину мироздания и взглянуть на нее с точки зрения обитателя одной из планет в одной из звездных систем в одной из галактик - человека. Разумеется, поставленная задача слишком велика для того, чтобы решить ее одним махом, но все же необходимо с чего-то начать.

Давайте начнем с того, что в соответствии с М-теорией построим простейшую схему одиннадцати измерений (от нулевого до десятого) и, представив себя в одном из измерений, оглянемся по сторонам. Сделать это не так уж трудно, поскольку мы на самом деле существуем в трехмерном пространстве, обозначенном на схеме цифрой 3.

Но сперва - пару слов о самой схеме. Различные уровни измерений представлены на ней в виде соприкасающихся концентрических кругов. Такой способ представления выбран для того, чтобы показать иерархию уровней: каждый высший уровень включает в себя все нижестоящие и соприкасается с ними своим основанием, по сути - пронизывает их. К примеру, объект второго уровня - плоскость - включает в себя объекты первого и нулевого уровней - прямые и точки. На схеме все выглядит довольно просто. В реальности, конечно же, картина гораздо сложнее. Так, пространство, как среда третьего уровня, включает в себя второй, первый и нулевой уровни, но их объекты - точки, прямые и плоскости не существуют в нашем трехмерном пространстве как таковые: если мы проведем при помощи линейки и карандаша на листе бумаги прямую линию, мы получим в итоге изображение прямой линии на плоскости, причем весьма условное. Достаточно посмотреть на прочерченную линию в микроскоп, и она предстанет перед нами полосой, имеющей определенную ширину, то есть двухмерным объектом. Но и этот двухмерный объект при более близком рассмотрении состоит из трехмерных частиц графита - вещества, оставшегося на бумаге от нажатия грифеля карандаша. Таким образом, мы имеем дело не с реальными объектами других уровней, а с их проекцией на границы нашего уровня. Все, что находится в других измерениях, на нашем уровне выступает по сути не реальными объектами, но символами. В этом смысле мы обитаем в "голографической" Вселенной, названной так по аналогии с голограммой - трехмерным изображением объекта на плоскости, когда третьего измерения в системе двух координат реально не существует, но мы можем рассмотреть объект со всех сторон, как если бы он на самом деле находился в трехмерном пространстве. Следует особо заметить здесь, что в случае с голограммой мы имеем дело не с чистой иллюзией, а с объективно существующей проекцией.

Концепция голографической Вселенной крайне важна для понимания высших по отношению к нашему измерений, существование которых постулируется М-теорией. В соответствии с этой концепцией все, что содержится в определенном объеме пространства высшего уровня, неминуемо проецируется на нижестоящие уровни. Естественно, для нас здесь важно то, в каком виде эта проекция "ложится" на наш уровень. Попытаемся решить эту задачу на примере измерения, следующего за тем, в котором находится наше физическое тело. Это измерение - ВРЕМЯ. Что мы знаем об этом четвертом измерении, повсеместно присутствующем в нашем трехмерном мире? Пожалуй, абсолютно точно можно утверждать одно: время движется по прямой из прошлого в будущее. Этот направленный вектор по сути выступает проекцией четвертого измерения на третье. Строго говоря, время - это не само четвертое измерение, а как раз его проекция на наш мир. Эта проекция четвертого измерения в нашем третьем проступает одномерной. Сама собой вырисовывается простенькая арифметика: 4-3=1.

Применив ту же формулу к нашему миру, получим 3-3=0. Проекция измерения на самое себя дает нулевое измерение - точку. Если принять вышесказанное за аксиому, то становится оправданным существование в нашем трехмерном мире единичных ОБЪЕКТОВ - отдельных образований, по сути представляющих собой замкнутые системы. Практически все пространство нашего мира наполнено материальными объектами, начиная от атомов и заканчивая планетами, звездами и галактиками. Объекты воспринимаются нами как нечто непреложно существующее, но ни в одном из соседних с нашим измерениях мы не найдем их: объекты не существуют ни на плоскости (на двухмерное пространство они проецируются как фигуры), ни во времени (в границах четвертого измерения существуют не сами объекты, а лишь хронология происходящих с ними событий).

С философской точки зрения крайне интересен также вопрос о месте человеческого сознания в системе пространственно-временных измерений. Рассмотрение столь глобального и важного вопроса, несомненно, должно стать темой отдельной монографии. Здесь лишь можно вскользь заметить, что, по всей видимости, сознание находится на границе третьего и четвертого измерений. С одной стороны, оно привязано к определенному субъекту, существующему в трех измерениях (каждое живое существо обладает индивидуальным сознанием), с другой стороны, оно имеет бОльшую степень свободы в рамках четвертого измерения и может перемещаться из настоящего в прошлое, вследствие чего человек обладает памятью - свойством, недоступным для объектов, у которых нет сознания.

Вернемся к вышеприведенной арифметике: свидетельствует ли она о существовании некоего принципа относительности вышестоящих уровней к нижестоящим? Рассмотренных нами двух случаев (4-3=1 и 3-3=0) явно недостаточно для выведения закономерности, поэтому для ответа на поставленный вопрос нам придется рассмотреть проекцию пятого измерения на наше третье. Что это за проекция? Как ее вычленить из множества параметров и явлений окружающего нас мира? Существует ли в нашем мире нечто объективное, что нельзя определить пространственными и временными координатами? Под это определение подходит ИНФОРМАЦИЯ.

Информация нематериальна и в то же время пронизывает все сферы пространства и все отрезки времени. Любой объект и любое событие заключают в себе определенную информацию. Сама структура объекта - это уже информация, объективно существующая в нем. Подобно этому, генетический код и инстинкты человека - информация, заложенная в него от рождения. Строго говоря, человек не создает новой информации - он лишь получает ее, взаимодействуя с окружающим миром. Человеку доступны лишь те знания, которые существует в природе. Его задача - открыть их. Если полученные нами сведения не соответствуют действительности, мы говорим о "неверной информации" - в контексте данных рассуждений можно представить такой случай как искаженное восприятие человеком проекции пятого измерения на наш мир. Информация всегда объективна, но людям свойственно по-разному воспринимать ее. Самый простой пример: люди по-разному видят цвета, вплоть до частичного нераспознавания цветовой гаммы дальтониками.

Неадекватное восприятие информации различными субъектами - частный случай искажения проекции пятого измерения на наш мир. Чтобы было понятно, о чем идет речь, представьте себе луч кинопроектора. Проекции одного и того же кадра киноленты (к примеру, с изображением причесывающейся женщины) на белый плоский экран, на черный выпуклый шар, на водную поверхность, на лесные заросли или на толпу людей будут разными. Информация, содержащаяся в этом кадре, по сути не меняется, но искажается. Одни зрители поймут, что это женщина и она причесывает волосы, другим покажется, что женщина не причесывается, а заплетает косу, третьи увидят человека неопределенного пола, четвертым представится не человек, а животное и т.д.

Как видно из примера с кинопроектором, большое значение имеет трехмерная среда, в которую попадает информация как проекция пятого измерения. Различием среды объясняется многообразие нашего мира. В идеальных условиях все объекты одного типа были бы одинаковыми. Скажем, если бы мы выращивали сосны в однородной среде из семян одинакового веса, одинаковой формы и одинакового размера, то получили бы одинаковые побеги, поскольку генетический код для всех сосен отдельно взятой разновидности един. Кстати, единство генетического кода как информационного блока для живых существ определенного вида наводит на мысль о еще одной закономерности в соотношении между собой различных измерений. Выше описывался пример с прочерченной на бумаге прямой линией, существующей в трехмерном мире лишь в виде изображения. Переходя к примеру с соснами, можно по аналогии предположить, что в пятом измерении существует некая идеальная трехмерная сосна, в реальности (имеется в виду реальность пятимерного мира) состоящая из других пятимерных элементов, не имеющих к трехмерной сосне непосредственного отношения. Точно так же, возможно существование в пятом измерении идеального человека - кумира.

Подводя итог вышесказанному, информация - не само пятое измерение, а лишь его проекция на нижестоящие уровни, пространство и время. Эта проекция пронизывает все объекты нашего материального мира, но не существует среди нас в чистом виде. Поэтому нам приходится "добывать" информацию, вступая в физический контакт с окружающими нас предметами при помощи органов чувств. Мы не можем узнать, что находится внутри черного ящика, пока не откроем его. Любая вещь предстает перед нами не как индивидуальная сущность, а как набор параметров, за которыми скрыто ее истинное предназначение. Не изучив отдельных характеристик вещи, мы не можем получить цельного представления о ней. Возможно, последнее утверждение покажется банальным, но оно необходимо, чтобы перейти к следующей нетривиальной мысли-антиподу: в пятом измерении все параметры и характеристики той же вещи тесно увязаны между собой в единую явную сущность (образно говоря, достаточно одного взгляда на вещь, чтобы получить о ней самое полное представление, включая ее структуру и предназначение). Здесь остается только отметить следующий важный момент: в силу того, что проекция пятого измерения пронизывает все объекты нашего мира, в том числе и человеческий мозг, теоретически возможно непосредственное воздействие этой проекции на наше сознание - человек получает замечательную потенциальную способность проникать разумом в суть вещей и явлений!

Как соотносится пятое измерение с четвертым и третьим? Попробуем применить уже известную нам простейшую формулу: 5-3=2. Получается, что проекция пятого измерения на третье должна обладать двухмерными свойствами (невольно вспоминается термин "информационное поле"). И действительно, любая доступная нам информация может быть представлена в виде комбинации из двух символов, нулей и единиц, что широко используется в электронике и компьютерной технике. Кроме того, логика, инструмент разума, используемый для переваривания информации, также носит двоичный характер, поскольку оперирует в основном взаимоисключающими понятиями "да" и "нет". Занятно здесь и то, что среди визуальных способов представления информации доминирует изображение на плоскости: основная масса информации передается и принимается людьми через тексты, рисунки, фотографии, телевидение, кино- и видеофильмы и мониторы. Средства трехмерной презентации - скульптура, стереофильмы и голограмма - достаточно широко используются в художественном творчестве и редко применяются для обмена информацией. Очевидно, людям проще воспринимать информацию, когда она преподносится им в виде, наиболее соответствующем ее двухмерной природе.

Перейдем теперь к соотношению пятого измерения с четвертым: 5-4=1. Проекция пятого измерения на четвертое выступает в виде прямой линии. Получается интересная картина: мы имеем перед собой как бы две прямые линии - проекцию четвертого измерения на наше третье (время) и проекцию пятого измерения на четвертое. Вторая прямая линия в этой паре предстает перед нами как история, а наложив вторую линию на первую, мы получим хронологию. Примечательно здесь то, что эти прямые четко совпадают и жестко скреплены между собой: каждому моменту во времени соответствует набор строго определенных событий. Как говорится, история не знает сослагательного наклонения, а если и повторяется, то в виде фарса.

Пожалуй, приведенных выше примеров и доказательств достаточно для подтверждения постулированной выше закономерности соотношения измерений различного уровня:

проекция высшего уровня на низший реализуется в N измерениях, где N определяется как разность между порядками уровней

Данная закономерность, по-видимому, правомерна и для уровней ниже третьего, хотя это и крайне спорный вопрос. Как бы то ни было, проекция пространства на плоскость (не путайте с геометрической проекцией, иначе выйдет абсурд) дает прямую линию (3-2=1), что не противоречит действительности, поскольку плоскость можно представить как совокупность бесконечного множества прямых. Далее, отчего бы не предположить, что проекция на плоскость измерений выше третьего дает нам физические поля, а проекция высших измерений на прямую - различные лучи.

Что касается проекции высших измерений на точку, можно в качестве гипотезы вспомнить о "черных дырах", безвозвратно поглощающих все, что попадает в сферу их гравитации. Кстати, уравнения М-теории, выведенные для элементарных частиц, успешно используются астрофизиками для расчета параметров этих уникальных космических объектов, что подтверждает ее универсальность.

Вселенная Хокинга - точка зрения науки

Теория струн за 2 минуты. Рассказывает Брайан Грин