Экология познания: Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная
Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями . И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.
Все состоит из волн - и частиц тоже
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это экспериментальный факт.
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний великий вклад Эйнштей на в физику не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика - не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения. опубликовано
Присоединяйтесь к нам в
Никто не понимает, что такое сознание и как оно работает. Никто не понимает и квантовую механику. Может ли это быть большим, чем просто совпадение? «Я не могу определить реальную проблему, поэтому подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет никакой реальной проблемы». Американский физик Ричард Фейнман сказал это о загадочных парадоксах квантовой механики. Сегодня эту теорию физики используют для описания мельчайших объектов во Вселенной. Но точно так же он мог сказать о запутанной проблеме сознания.
Некоторые ученые думают, что мы уже понимаем сознание или что это просто иллюзия. Но многим другим кажется, что мы вообще даже и близко не подобрались к сути сознания.
Многолетняя головоломка под названием «сознание» даже привела к тому, что некоторые ученые попытались объяснить ее при помощи квантовой физики. Но их усердие было встречено с изрядной долей скепсиса, и это не удивительно: кажется неразумным объяснять одну загадку при помощи другой.
Но такие идеи ни разу не абсурдны и даже не с потолка взялись.
С одной стороны, к великому неудовольствию физиков, разум поначалу отказывается постигать раннюю квантовую теорию. Более того, квантовые компьютеры, по прогнозам, будут способны на такие вещи, на какие не способны обычные компьютеры. Это напоминает нам, что наш мозг до сих пор способен на подвиги, недоступны для искусственного интеллекта. «Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическая ерунда, но никто так и не смог ее окончательно развеять.
Квантовая механика - лучшая теория, которая у нас есть, способная описать мир на уровне атомов и субатомных частиц. Пожалуй, самой известной из ее загадок является тот факт, что результат квантового эксперимента может меняться в зависимости от того, решаем мы измерить свойства участвующих в нем частиц или нет.
Когда первопроходцы квантовой теории впервые обнаружили этот «эффект наблюдателя», они встревожились не на шутку. Казалось, он подрывает предположение, лежащее в основе всей науки: что где-то там существует объективный мир, независимый от нас. Если мир действительно ведет себя зависимо от того, как - или если - мы смотрим на него, что будет означать «реальность» на самом деле?
Некоторые ученые были вынуждены заключить, что объективность - это иллюзия, и что сознание должно играть активную роль в квантовой теории. Другие же просто не видели в этом никакого здравого смысла. Например, Альберт Эйнштейн был раздосадован: неужели Луна существует, только когда вы на нее смотрите?
Сегодня некоторые физики подозревают, что дело не в том, что сознание влияет на квантовую механику… а в том, что оно вообще появилось, благодаря ей. Они полагают, что квантовая теория может понадобиться нам, чтобы вообще понять, как работает мозг. Может ли быть такое, что как квантовые объекты могут находиться в двух местах одновременно, так и квантовый мозг может одновременно иметь в виду две взаимоисключающие вещи?
Эти идеи вызывают споры. Может оказаться так, что квантовая физика никак не связана с работой сознания. Но они хотя бы демонстрируют, что странная квантовая теория заставляет нас думать о странных вещах.
Лучше всего квантовая механика пробивается в сознание человека через эксперимент с двойной щелью. Представьте себе луч света, который падает на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Часть света проходит через щели и падает на другой экран.
Можно представить свет в виде волны. Когда волны проходят через две щели, как в эксперименте, они сталкиваются - интерферируют - между собой. Если их пики совпадают, они усиливают друг друга, что выливается в серию черно-белых полос света на втором черном экране.
Этот эксперимент использовался, чтобы показать волновой характер света, больше 200 лет, пока не появилась квантовая теория. Тогда эксперимент с двойной щелью провели с квантовыми частицами - электронами. Это крошечные заряженные частицы, компоненты атома. Непонятным образом, но эти частицы могут вести себя как волны. То есть они подвергаются дифракции, когда поток частиц проходит через две щели, производя интерференционную картину.
Теперь предположим, что квантовые частицы проходят через щели одна за другой и их прибытие на экран тоже будет наблюдаться пошагово. Теперь нет ничего очевидного, что заставляло бы частицу интерферировать на ее пути. Но картина попадания частиц все равно будет демонстрировать интерференционные полосы.
Все указывает на то, что каждая частица одновременно проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. Это сочетание двух путей известно как состояние суперпозиции.
Но вот что странно.
Если разместить детектор в одной из щелей или за ней, мы могли бы выяснить, проходит через нее частицы или нет. Но в таком случае интерференция исчезает. Простой факт наблюдения пути частицы - даже если это наблюдение не должно мешать движению частицы - меняет результат.
Физик Паскуаль Йордан, который работал с квантовым гуру Нильсом Бором в Копенгагене в 1920-х годах, сформулировал это так: «Наблюдения не только нарушают то, что должно быть измерено, они это определяют… Мы принуждаем квантовую частицу выбирать определенное положение». Другими словами, Йордан говорит, что «мы сами производим результаты измерений».
Если это так, объективную реальность можно просто выбросить в окно.
Но на этом странности не заканчиваются.
Если природа меняет свое поведение в зависимости от того, смотрим мы или нет, мы могли бы попытаться обвести ее вокруг пальца. Для этого мы могли бы измерить, какой путь выбрала частица, проходя через двойную щель, но только после того, как пройдет через нее. К тому времени она уже должна «определиться», пройти через один путь или через оба.
Провести такой эксперимент в 1970-х годах предложил американский физик Джон Уилер, и в следующие десять лет эксперимент с «отложенным выбором» провели. Он использует умные методы измерения путей квантовых частиц (как правило, частиц света - фотонов) после того, как они выбирают один путь или суперпозицию двух.
Оказалось, что, как и предсказывал Бор, нет никакой разницы, задерживаем мы измерения или нет. До тех пор, пока мы измеряем путь фотона до его попадания и регистрацию в детекторе, интерференции нет. Создается впечатление, что природа «знает» не только когда мы подглядываем, но и когда мы планируем подглядывать.
Юджин Вигнер
Всякий раз, когда в этих экспериментах мы открываем путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов «сжимается» в единое четко определенное состояние. Более того, эксперимент с задержкой предполагает, что сам акт наблюдения, без какого-либо физического вмешательства, вызванного измерением, может стать причиной коллапса. Значит ли это, что истинный коллапс происходит только тогда, когда результат измерения достигает нашего сознания?
Такую возможность предложил в 1930-х годах венгерский физик Юджин Вигнер. «Из этого следует, что квантовое описание объектов находится под влиянием впечатлений, поступающих в мое сознание», писал он. «Солипсизм может быть логически согласованным с квантовой механикой».
Уилера даже забавляла мысль о том, что наличие живых существ, способных «наблюдать», преобразовала то, что ранее было множество возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, говорит Уилер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. По его словам, мы живем в «соучастной вселенной».
Физики до сих пор не могут выбрать лучшую интерпретацию этих квантовых экспериментов, и в некоторой степени право этого предоставляется и вам. Но, так или иначе, подтекст очевиден: сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.
Начиная с 1980-х годов, английский физик Роджер Пенроуз предположил, что эта связь может работать в другом направлении. Он сказал, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, возможно, квантовая механика участвует в сознании.
Физик и математик Роджер Пенроуз
И еще Пенроуз спросил: что, если в нашем мозге существуют молекулярные структуры, способные менять свое состояние в ответ на одно квантовое событие? Могут ли эти структуры принимать состояние суперпозиции, подобно частицам в эксперименте с двойной щелью? Могут ли эти квантовые суперпозиции затем проявляться в том, как нейроны сообщаются посредством электрических сигналов?
Может быть, говорил Пенроуз, наша способность поддерживать, казалось бы, несовместимые психические состояния не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект?
В конце концов, человеческий мозг, похоже, в состоянии обрабатывать когнитивные процессы, которые до сих пор по возможностям намного превосходят цифровые вычислительные машины. Возможно, мы даже способны выполнять вычислительные задачи, которые нельзя исполнить на обычные компьютерах, использующих классическую цифровую логику.
Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты присутствуют в человеческом сознании, в книге 1989 года ‘The Emperor’s New Mind’. Главной его идеей стала «оркестрованная объективная редукция». Объективная редукция, по мнению Пенроуза, означает, что коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, будто лопающийся пузырь.
Оркестрованная объективная редукция опирается на предположение Пенроуза о том, что гравитация, которая влияет на повседневные объекты, стулья или планеты, не демонстрирует квантовых эффектов. Пенроуз полагает, что квантовая суперпозиция становится невозможной для объектов больше атомов, потому что их гравитационное воздействие в таком случае привело бы к существованию двух несовместимых версий пространства-времени.
Дальше Пенроуз развивал эту идею с американским врачом Стюартом Хамероффом. В своей книге «Тени разума» (1994) он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми нитями - микротрубочками. Они имеются в большинстве наших клеток, в том числе и нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждали, что в процесс колебания микротрубочки могут принимать состояние квантовой суперпозиции.
Но нет ничего в поддержку того, что это вообще возможно.
Предполагали, что идею квантовых суперпозиций в микротрубочках поддержат эксперименты, предложенные в 2013 году, но на деле в этих исследованиях не упоминалось о квантовых эффектах. Кроме того, большинство исследователей считают, что идея оркестрованных объективных редукций была развенчана исследованием, опубликованным в 2000 году. Физик Макс Тегмарк рассчитал, что квантовые суперпозиции молекул, вовлеченных в нейронные сигналы, не смогут просуществовать даже мгновения времени, необходимого для передачи сигнала.
Квантовые эффекты, включая суперпозицию, очень хрупкие и разрушаются в процессе так называемой декогеренции. Это процесс обусловлен взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, поскольку его «квантовость» утекает.
Декогеренция, как полагали, должна протекать чрезвычайно быстро в теплых и влажных средах, таких как живые клетки.
Нервные сигналы - это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток. Если один из таких атомов был в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардной доли секунды. Чтобы нейрон выпустил сигнал, ему нужно в десять тысяч триллионов раз больше времени.
Именно поэтому идеи о квантовых эффектах в головном мозге не проходят проверку скептиков.
Но Пенроуз неумолимо настаивает на гипотезе ООР. И невзирая на предсказание сверхбыстрой декогеренции Тегмарка в клетках, другие ученые нашли проявления квантовых эффектов у живых существ. Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, которые используют магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахара в процессе фотосинтеза.
При всем этом идея того, что мозг может использовать квантовые трюки, отказывается уходить насовсем. Потому что в ее пользу нашли другой аргумент.
Может ли фосфор поддерживать квантовое состояние?
В исследовании 2015 года физик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более мощные квантовые суперпозиции. В частности, он полагает, что ядра атомов фосфора могут иметь такую способность. Атомы фосфора имеются в живых клетках повсюду. Они часто принимают форму ионов фосфата, в которых один атом фосфора соединяется с четырьмя атомами кислорода.
Такие ионы являются основной единицей энергии в клетках. Большая часть энергии клетки хранится в молекулах АТФ, которые содержат последовательность из трех фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов отрезается, высвобождается энергия, которая используется клеткой.
У клеток есть молекулярные машины для сборки ионов фосфата в группы и для их расщепления. Фишер предложил схему, в которой два фосфатных иона могут быть размещены в суперпозиции определенного вида: в запутанном состоянии.
У ядер фосфора есть квантовое свойство - спин - которое делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях. В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого. Иными словами, запутанные состояния - это состояния суперпозиции с участием более одной квантовой частицы.
Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов может противостоять декогеренции. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от их окружения и «декогерировать почти сразу же». Но спины ядер не так сильно взаимодействуют со своим окружением.
И все же квантовое поведение спинов ядер фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.
У квантовых частиц может быть разный спин
Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, которые названы «молекулами Познера». Они представляют собой кластеры из шести фосфатных ионов в сочетании с девятью ионами кальция. Существуют определенные указания на то, что такие молекулы могут быть в живых клетках, но пока они не очень убедительны.
В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут противостоять декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках. Следовательно, могут влиять и на работу мозга.
Идея в том, что молекулы Познера могут быть поглощены нейронами. Оказавшись внутри, молекулы будут активировать сигнал другому нейрону, распадаясь и выпуская ионы кальция. Из-за запутанности в молекулах Познера, два таких сигнала могут оказаться запутанными в свою очередь: в некотором роде, это будет квантовая суперпозиция «мысли». «Если квантовая обработка с ядерными спинами на самом деле присутствует в головном мозге, она была бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим постоянно», говорит Фишер.
Впервые эта идея пришла к нему в голову, когда он раздумывал о психической болезни.
Капсула карбоната лития
«Мое введение в биохимию мозга началось, когда я решил три-четыре года назад исследовать, как и почему ион лития оказывает такой радикальный эффект при лечении психических отклонений», говорит Фишер.
Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто на самом деле не знает почему.
«Я не искал квантовое объяснение, говорит Фишер. Но затем он наткнулся на работу, в которой описывалось, что препараты лития оказывали различное влияние на поведение крыс в зависимости от того, какая форма - или «изотоп» - лития использовалась.
Поначалу это озадачило ученых. С химической точки зрения, различные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому если литий работал как обычный препарат, изотопы должны были иметь один и тот же эффект.
Нервные клетки связаны с синапсами
Но Фишер понял, что ядра атомов различных изотопов лития могут иметь различные спины. Это квантовое свойство может влиять на то, как действуют препараты на основе лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут оказывать эффект на атомы фосфора и препятствовать их запутыванию.
Если это верно, то сможет и объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство.
На данный момент предположение Фишера является не более чем интригующей идеей. Но есть несколько способов ее проверить. Например, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять квантовую когерентность в течение длительного времени. Это Фишер и планирует проверить дальше.
И все же он опасается быть связанным с более ранними представлениями о «квантовом сознании», которые считает в лучшем случае спекулятивными.
Сознание - глубокая тайна
Физики не очень любят оказываться внутри своих же теорий. Многие из них надеются, что сознание и мозг можно будет извлечь из квантовой теории, а может, и наоборот. Но ведь мы не знаем, что такое сознание, не говоря уж о том, что у нас нет теории, которая его описывает.
Более того, изредка звучат громкие возгласы, что квантовая механика позволит нам овладеть телепатией и телекинезом (и хотя где-то на глубине концепций это может быть так, люди понимают все слишком буквально). Поэтому физики вообще опасаются упоминать слова «квантовый» и «сознание» в одном предложении.
В 2016 году Эдриан Кент из Кембриджского университета в Великобритании, один из самых уважаемых «квантовых философов», предположил, что сознание может менять поведение квантовых систем тонким, но вполне обнаружимым образом. Кент очень осторожен в своих высказываниях. «Нет никаких убедительных оснований полагать, что квантовая теория - это подходящая теория, из которой можно извлечь теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны как-то пересекаться с проблемой сознания», признает он.
Но добавляет, что совершенно непонятно, как можно вывести описание сознание, основываясь исключительно на доквантовой физике, как описать все его свойства и черты.
Мы не понимаем, как работают мысли
Один особенно волнующий вопрос - как наш сознательный разум может испытывать уникальные ощущения вроде красного цвета или запаха жарки мяса. Если не считать людей с нарушениями зрения, все мы знаем, на что похож красный, но не можем передать это чувство, а в физике нет ничего, что могло бы нам рассказать, на что это похоже.
Чувства вроде этих называют «квалиа». Мы воспринимаем их как единые свойства внешнего мира, но на деле они являются продуктами нашего сознания - и это трудно объяснить. В 1995 году философ Дэвид Чалмерс назвал это «тяжелой проблемой» сознания.
«Любая мысленная цепочка о связи сознания с физикой приводит к серьезным проблемам», говорит Кент.
Это побудило его предположить, что «мы могли бы добиться некоторого прогресса в понимании проблемы эволюции сознания, если бы допустили (хотя бы просто допустили), что сознание меняет квантовые вероятности».
Другими словами, мозг может действительно влиять на результаты измерений.
С этой точки зрения, он не определяет, «что является реальным». Но он может влиять на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, навязанных квантовой механикой, будет наблюдаться. Этого не может предсказать даже сама квантовая теория. И Кент полагает, что мы могли бы поискать такие проявления экспериментально. Даже смело оценивает шансы найти их.
«Я бы предположил с 15-процентной уверенностью, что сознание вызывает отклонения от квантовой теории; и еще 3-процентной - что мы экспериментально подтвердим это в следующие 50 лет», говорит он.
Если это произойдет, мир уже не будет прежним. А ради такого стоит исследовать.
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это .
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика - не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.
Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.
"Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?"- спросите вы.
Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.
Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.
Что изучает квантовая физика простыми словами
Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.
А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.
Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.
Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.
Кратко об истории квантовой физики
Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.
Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.
Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.
Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике
Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.
Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.
Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?
Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?
Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.
Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.
Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.
Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.
Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.
Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.
Суперпозиция в квантовой физике
При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.
Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это здравый смысл.
В физике микромира же все по-другому.
Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.
Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.
Так мы приходим к пониманию термина "суперпозиции" в квантовой механике.
Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно. И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.
Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.
Коллапс волновой функции в физике простыми словами
Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.
Но в итоге результат ошеломил всех.
Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.
Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.
Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.
Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.
После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.
То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.
Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.
"Вот это фантастика"- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.
Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.
Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.
Мультфильм про квантовую физику:
Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.
Видео о квантовой физике:
И как вы раньше об этом не знали.
Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.
Никто не понимает, что такое сознание и как оно работает. Никто не понимает и квантовую механику. Может ли это быть большим, чем просто совпадение? «Я не могу определить реальную проблему, поэтому подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет никакой реальной проблемы». Американский физик Ричард Фейнман сказал это о загадочных парадоксах квантовой механики. Сегодня эту теорию физики используют для описания мельчайших объектов во Вселенной. Но точно так же он мог сказать о запутанной проблеме сознания.
Некоторые ученые думают, что мы уже понимаем сознание или что это просто иллюзия. Но многим другим кажется, что мы вообще даже и близко не подобрались к сути сознания.
Многолетняя головоломка под названием «сознание» даже привела к тому, что некоторые ученые попытались объяснить ее при помощи квантовой физики. Но их усердие было встречено с изрядной долей скепсиса, и это не удивительно: кажется неразумным объяснять одну загадку при помощи другой.
Но такие идеи ни разу не абсурдны и даже не с потолка взялись.
С одной стороны, к великому неудовольствию физиков, разум поначалу отказывается постигать раннюю квантовую теорию. Более того, квантовые компьютеры, по прогнозам, будут способны на такие вещи, на какие не способны обычные компьютеры. Это напоминает нам, что наш мозг до сих пор способен на подвиги, недоступны для искусственного интеллекта. «Квантовое сознание» широко высмеивается как мистическая ерунда, но никто так и не смог ее окончательно развеять.
Квантовая механика — лучшая теория, которая у нас есть, способная описать мир на уровне атомов и субатомных частиц. Пожалуй, самой известной из ее загадок является тот факт, что результат квантового эксперимента может меняться в зависимости от того, решаем мы измерить свойства участвующих в нем частиц или нет.
Когда первопроходцы квантовой теории впервые обнаружили этот «эффект наблюдателя», они встревожились не на шутку. Казалось, он подрывает предположение, лежащее в основе всей науки: что где-то там существует объективный мир, независимый от нас. Если мир действительно ведет себя зависимо от того, как — или если — мы смотрим на него, что будет означать «реальность» на самом деле?
Некоторые ученые были вынуждены заключить, что объективность — это иллюзия, и что сознание должно играть активную роль в квантовой теории. Другие же просто не видели в этом никакого здравого смысла. Например, Альберт Эйнштейн был раздосадован: неужели Луна существует, только когда вы на нее смотрите?
Сегодня некоторые физики подозревают, что дело не в том, что сознание влияет на квантовую механику… а в том, что оно вообще появилось, благодаря ей. Они полагают, что квантовая теория может понадобиться нам, чтобы вообще понять, как работает мозг. Может ли быть такое, что как квантовые объекты могут находиться в двух местах одновременно, так и квантовый мозг может одновременно иметь в виду две взаимоисключающие вещи?
Эти идеи вызывают споры. Может оказаться так, что квантовая физика никак не связана с работой сознания. Но они хотя бы демонстрируют, что странная квантовая теория заставляет нас думать о странных вещах.
Лучше всего квантовая механика пробивается в сознание человека через эксперимент с двойной щелью. Представьте себе луч света, который падает на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Часть света проходит через щели и падает на другой экран.
Можно представить свет в виде волны. Когда волны проходят через две щели, как в эксперименте, они сталкиваются — интерферируют — между собой. Если их пики совпадают, они усиливают друг друга, что выливается в серию черно-белых полос света на втором черном экране.
Этот эксперимент использовался, чтобы показать волновой характер света, больше 200 лет, пока не появилась квантовая теория. Тогда эксперимент с двойной щелью провели с квантовыми частицами — электронами. Это крошечные заряженные частицы, компоненты атома. Непонятным образом, но эти частицы могут вести себя как волны. То есть они подвергаются дифракции, когда поток частиц проходит через две щели, производя интерференционную картину.
Теперь предположим, что квантовые частицы проходят через щели одна за другой и их прибытие на экран тоже будет наблюдаться пошагово. Теперь нет ничего очевидного, что заставляло бы частицу интерферировать на ее пути. Но картина попадания частиц все равно будет демонстрировать интерференционные полосы.
Все указывает на то, что каждая частица одновременно проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. Это сочетание двух путей известно как состояние суперпозиции.
Но вот что странно.
Если разместить детектор в одной из щелей или за ней, мы могли бы выяснить, проходит через нее частицы или нет. Но в таком случае интерференция исчезает. Простой факт наблюдения пути частицы — даже если это наблюдение не должно мешать движению частицы — меняет результат.
Физик Паскуаль Йордан, который работал с квантовым гуру Нильсом Бором в Копенгагене в 1920-х годах, сформулировал это так: «Наблюдения не только нарушают то, что должно быть измерено, они это определяют… Мы принуждаем квантовую частицу выбирать определенное положение». Другими словами, Йордан говорит, что «мы сами производим результаты измерений».
Если это так, объективная реальность можно просто выбросить в окно.
Но на этом странности не заканчиваются.
Если природа меняет свое поведение в зависимости от того, смотрим мы или нет, мы могли бы попытаться обвести ее вокруг пальца. Для этого мы могли бы измерить, какой путь выбрала частица, проходя через двойную щель, но только после того, как пройдет через нее. К тому времени она уже должна «определиться», пройти через один путь или через оба.
Провести такой эксперимент в 1970-х годах предложил американский физик Джон Уилер, и в следующие десять лет эксперимент с «отложенным выбором» провели. Он использует умные методы измерения путей квантовых частиц (как правило, частиц света — фотонов) после того, как они выбирают один путь или суперпозицию двух.
Оказалось, что, как и предсказывал Бор, нет никакой разницы, задерживаем мы измерения или нет. До тех пор, пока мы измеряем путь фотона до его попадания и регистрацию в детекторе, интерференции нет. Создается впечатление, что природа «знает» не только когда мы подглядываем, но и когда мы планируем подглядывать.
Юджин Вигнер
Всякий раз, когда в этих экспериментах мы открываем путь квантовой частицы, ее облако возможных маршрутов «сжимается» в единое четко определенное состояние. Более того, эксперимент с задержкой предполагает, что сам акт наблюдения, без какого-либо физического вмешательства, вызванного измерением, может стать причиной коллапса. Значит ли это, что истинный коллапс происходит только тогда, когда результат измерения достигает нашего сознания?
Такую возможность предложил в 1930-х годах венгерский физик Юджин Вигнер. «Из этого следует, что квантовое описание объектов находится под влиянием впечатлений, поступающих в мое сознание», писал он. «Солипсизм может быть логически согласованным с квантовой механикой».
Уилера даже забавляла мысль о том, что наличие живых существ, способных «наблюдать», преобразовала то, что ранее было множество возможных квантовых прошлых, в одну конкретную историю. В этом смысле, говорит Уилер, мы становимся участниками эволюции Вселенной с самого ее начала. По его словам, мы живем в «соучастной вселенной».
Физики до сих пор не могут выбрать лучшую интерпретацию этих квантовых экспериментов, и в некоторой степени право этого предоставляется и вам. Но, так или иначе, подтекст очевиден: сознание и квантовая механика каким-то образом связаны.
Начиная с 1980-х годов, английский физик Роджер Пенроуз предположил, что эта связь может работать в другом направлении. Он сказал, что независимо от того, влияет сознание на квантовую механику или нет, возможно, квантовая механика участвует в сознании.
Физик и математик Роджер Пенроуз
И еще Пенроуз спросил: что, если в нашем мозге существуют молекулярные структуры, способные менять свое состояние в ответ на одно квантовое событие? Могут ли эти структуры принимать состояние суперпозиции, подобно частицам в эксперименте с двойной щелью? Могут ли эти квантовые суперпозиции затем проявляться в том, как нейроны сообщаются посредством электрических сигналов?
Может быть, говорил Пенроуз, наша способность поддерживать, казалось бы, несовместимые психические состояния не причуда восприятия, а реальный квантовый эффект?
В конце концов, человеческий мозг, похоже, в состоянии обрабатывать когнитивные процессы, которые до сих пор по возможностям намного превосходят цифровые вычислительные машины. Возможно, мы даже способны выполнять вычислительные задачи, которые нельзя исполнить на обычные компьютерах, использующих классическую цифровую логику.
Пенроуз впервые предположил, что квантовые эффекты присутствуют в человеческом сознании, в книге 1989 года ‘The Emperor’s New Mind’. Главной его идеей стала «оркестрованная объективная редукция». Объективная редукция, по мнению Пенроуза, означает, что коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом, будто лопающийся пузырь.
Оркестрованная объективная редукция опирается на предположение Пенроуза о том, что гравитация, которая влияет на повседневные объекты, стулья или планеты, не демонстрирует квантовых эффектов. Пенроуз полагает, что квантовая суперпозиция становится невозможной для объектов больше атомов, потому что их гравитационное воздействие в таком случае привело бы к существованию двух несовместимых версий пространства-времени.
Дальше Пенроуз развивал эту идею с американским врачом Стюартом Хамероффом. В своей книге «Тени разума» (1994) он предположил, что структуры, участвующие в этом квантовом познании, могут быть белковыми нитями — микротрубочками. Они имеются в большинстве наших клеток, в том числе и нейронах мозга. Пенроуз и Хамерофф утверждали, что в процесс колебания микротрубочки могут принимать состояние квантовой суперпозиции.
Но нет ничего в поддержку того, что это вообще возможно.
Предполагали, что идею квантовых суперпозиций в микротрубочках поддержат эксперименты, предложенные в 2013 году, но на деле в этих исследованиях не упоминалось о квантовых эффектах. Кроме того, большинство исследователей считают, что идея оркестрованных объективных редукций была развенчана исследованием, опубликованным в 2000 году. Физик Макс Тегмарк рассчитал, что квантовые суперпозиции молекул, вовлеченных в нейронные сигналы, не смогут просуществовать даже мгновения времени, необходимого для передачи сигнала.
Квантовые эффекты, включая суперпозицию, очень хрупкие и разрушаются в процессе так называемой декогеренции. Это процесс обусловлен взаимодействиями квантового объекта с окружающей его средой, поскольку его «квантовость» утекает.
Декогеренция, как полагали, должна протекать чрезвычайно быстро в теплых и влажных средах, таких как живые клетки.
Нервные сигналы — это электрические импульсы, вызванные прохождением электрически заряженных атомов через стенки нервных клеток. Если один из таких атомов был в суперпозиции, а затем столкнулся с нейроном, Тегмарк показал, что суперпозиция должна распадаться менее чем за одну миллиардную миллиардной доли секунды. Чтобы нейрон выпустил сигнал, ему нужно в десять тысяч триллионов раз больше времени.
Именно поэтому идеи о квантовых эффектах в головном мозге не проходят проверку скептиков.
Но Пенроуз неумолимо настаивает на гипотезе ООР. И невзирая на предсказание сверхбыстрой декогеренции Тегмарка в клетках, другие ученые нашли проявления квантовых эффектов у живых существ. Некоторые утверждают, что квантовая механика используется перелетными птицами, которые используют магнитную навигацию, и зелеными растениями, когда они используют солнечный свет для производства сахара в процессе фотосинтеза.
При всем этом идея того, что мозг может использовать квантовые трюки, отказывается уходить насовсем. Потому что в ее пользу нашли другой аргумент.
Может ли фосфор поддерживать квантовое состояние?
В исследовании 2015 года физик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждал, что мозг может содержать молекулы, способные выдерживать более мощные квантовые суперпозиции. В частности, он полагает, что ядра атомов фосфора могут иметь такую способность. Атомы фосфора имеются в живых клетках повсюду. Они часто принимают форму ионов фосфата, в которых один атом фосфора соединяется с четырьмя атомами кислорода.
Такие ионы являются основной единицей энергии в клетках. Большая часть энергии клетки хранится в молекулах АТФ, которые содержат последовательность из трех фосфатных групп, соединенных с органической молекулой. Когда один из фосфатов отрезается, высвобождается энергия, которая используется клеткой.
У клеток есть молекулярные машины для сборки ионов фосфата в группы и для их расщепления. Фишер предложил схему, в которой два фосфатных иона могут быть размещены в суперпозиции определенного вида: в запутанном состоянии.
У ядер фосфора есть квантовое свойство — спин — которое делает их похожими на маленькие магниты с полюсами, указывающими в определенных направлениях. В запутанном состоянии спин одного ядра фосфора зависит от другого. Иными словами, запутанные состояния — это состояния суперпозиции с участием более одной квантовой частицы.
Фишер говорит, что квантово-механическое поведение этих ядерных спинов может противостоять декогеренции. Он согласен с Тегмарком в том, что квантовые вибрации, о которых говорили Пенроуз и Хамерофф, будут сильно зависеть от их окружения и «декогерировать почти сразу же». Но спины ядер не так сильно взаимодействуют со своим окружением.
И все же квантовое поведение спинов ядер фосфора должно быть «защищено» от декогеренции.
У квантовых частиц может быть разный спин
Это может произойти, говорит Фишер, если атомы фосфора будут включены в более крупные объекты, которые названы «молекулами Познера». Они представляют собой кластеры из шести фосфатных ионов в сочетании с девятью ионами кальция. Существуют определенные указания на то, что такие молекулы могут быть в живых клетках, но пока они не очень убедительны.
В молекулах Познера, утверждает Фишер, спины фосфора могут противостоять декогеренции в течение дня или около того, даже в живых клетках. Следовательно, могут влиять и на работу мозга.
Идея в том, что молекулы Познера могут быть поглощены нейронами. Оказавшись внутри, молекулы будут активировать сигнал другому нейрону, распадаясь и выпуская ионы кальция. Из-за запутанности в молекулах Познера, два таких сигнала могут оказаться запутанными в свою очередь: в некотором роде, это будет квантовая суперпозиция «мысли». «Если квантовая обработка с ядерными спинами на самом деле присутствует в головном мозге, она была бы чрезвычайно распространенным явлением, происходящим постоянно», говорит Фишер.
Впервые эта идея пришла к нему в голову, когда он раздумывал о психической болезни.
Капсула карбоната лития
«Мое введение в биохимию мозга началось, когда я решил три-четыре года назад исследовать, как и почему ион лития оказывает такой радикальный эффект при лечении психических отклонений», говорит Фишер.
Литиевые препараты широко используются для лечения биполярного расстройства. Они работают, но никто на самом деле не знает почему.
«Я не искал квантовое объяснение, говорит Фишер. Но затем он наткнулся на работу, в которой описывалось, что препараты лития оказывали различное влияние на поведение крыс в зависимости от того, какая форма — или «изотоп» — лития использовалась.
Поначалу это озадачило ученых. С химической точки зрения, различные изотопы ведут себя почти одинаково, поэтому если литий работал как обычный препарат, изотопы должны были иметь один и тот же эффект.
Нервные клетки связаны с синапсами
Но Фишер понял, что ядра атомов различных изотопов лития могут иметь различные спины. Это квантовое свойство может влиять на то, как действуют препараты на основе лития. Например, если литий заменяет кальций в молекулах Познера, спины лития могут оказывать эффект на атомы фосфора и препятствовать их запутыванию.
Если это верно, то сможет и объяснить, почему литий может лечить биполярное расстройство.
На данный момент предположение Фишера является не более чем интригующей идеей. Но есть несколько способов ее проверить. Например, что спины фосфора в молекулах Познера могут сохранять квантовую когерентность в течение длительного времени. Это Фишер и планирует проверить дальше.
И все же он опасается быть связанным с более ранними представлениями о «квантовом сознании», которые считает в лучшем случае спекулятивными.
Сознание — глубокая тайна
Физики не очень любят оказываться внутри своих же теорий. Многие из них надеются, что сознание и мозг можно будет извлечь из квантовой теории, а может, и наоборот. Но ведь мы не знаем, что такое сознание, не говоря уж о том, что у нас нет теории, которая его описывает.
Более того, изредка звучат громкие возгласы, что квантовая механика позволит нам овладеть телепатией и телекинезом (и хотя где-то на глубине концепций это может быть так, люди понимают все слишком буквально). Поэтому физики вообще опасаются упоминать слова «квантовый» и «сознание» в одном предложении.
В 2016 году Эдриан Кент из Кембриджского университета в Великобритании, один из самых уважаемых «квантовых философов», предположил, что сознание может менять поведение квантовых систем тонким, но вполне обнаружимым образом. Кент очень осторожен в своих высказываниях. «Нет никаких убедительных оснований полагать, что квантовая теория — это подходящая теория, из которой можно извлечь теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны как-то пересекаться с проблемой сознания», признает он.
Но добавляет, что совершенно непонятно, как можно вывести описание сознание, основываясь исключительно на доквантовой физике, как описать все его свойства и черты.
Мы не понимаем, как работают мысли
Один особенно волнующий вопрос — как наш сознательный разум может испытывать уникальные ощущения вроде красного цвета или запаха жарки мяса. Если не считать людей с нарушениями зрения, все мы знаем, на что похож красный, но не можем передать это чувство, а в физике нет ничего, что могло бы нам рассказать, на что это похоже.
Чувства вроде этих называют «квалиа». Мы воспринимаем их как единые свойства внешнего мира, но на деле они являются продуктами нашего сознания — и это трудно объяснить. В 1995 году философ Дэвид Чалмерс назвал это «тяжелой проблемой» сознания.
«Любая мысленная цепочка о связи сознания с физикой приводит к серьезным проблемам», говорит Кент.
Это побудило его предположить, что «мы могли бы добиться некоторого прогресса в понимании проблемы эволюции сознания, если бы допустили (хотя бы просто допустили), что сознание меняет квантовые вероятности».
Другими словами, мозг может действительно влиять на результаты измерений.
С этой точки зрения, он не определяет, «что является реальным». Но он может влиять на вероятность того, что каждая из возможных реальностей, навязанных квантовой механикой, будет наблюдаться. Этого не может предсказать даже сама квантовая теория. И Кент полагает, что мы могли бы поискать такие проявления экспериментально. Даже смело оценивает шансы найти их.
«Я бы предположил с 15-процентной уверенностью, что сознание вызывает отклонения от квантовой теории; и еще 3-процентной — что мы экспериментально подтвердим это в следующие 50 лет», говорит он.
Если это произойдет, мир уже не будет прежним. А ради такого стоит исследовать.