«Бог не играет в кости!» —как-то сказал Эйнштейн. «Эйнштейн, не учите Бога, что ему делать» — возразил ему Бор. Спор двух великих физиков возник вследствие того, что ученые закопались глубоко в текстуры мира и наткнулись на факты, перевернувшие наше понимание реальности. Как оказалась, бог не только играет в кости, но ещё и передергивает. Так появилась квантовая механика. Полученные факты не удаётся сложить в непротиворечивую теорию, поэтому у физиков нет единого мнения, а есть разнообразные интерпретации, часто противоречащие друг другу. Из-за этого возникает путаница, в которой и попытаемся разобраться.
Все началось с принципа неопределённости, который гласит, что невозможно одновременно точно измерить положение частицы и ее скорость. Чем точнее мы будем измерять положение частицы, тем более неопределённой будет становиться ее скорость и наоборот. (Вообще-то, это частный и упрощенный случай принципа неопределенности, но мы не будем вдаваться слишком в детали, чтобы не усложнять и так сложную тему). Почему именно координаты и скорость? Потому что, зная обе эти переменные, мы можем предсказать поведение частицы в будущем. А невозможность одновременно их измерить приводит к принципиальной невозможности предсказывать будущее.
Вообще-то принцип неопределённости действует и в классической механике. Возьмём для примера бильярдный шар. Допустим, мы определили его положение в пространстве и теперь хотим измерить его скорость. Для этого нам нужно через некий промежуток времени измерить его новое положение. Затем, вычислив пройденное расстояние, поделить на время и получим его скорость. То есть, одновременно измерить скорость и координату мы не можем в принципе. Мы можем уменьшать промежуток времени между замерами, все быстрее и быстрее фиксируя положение шара. В классической физике используется понятие бесконечно малой величины, в данном случае бесконечно малый отрезок времени и бесконечно малое смещение координат. Так вот, принцип неопределённости гласит, что нет никакого бесконечно малого чего-либо. А есть граница, определяемая постоянной Планка, после которой невозможно получить точную информацию. Граница, отделяющая мир, в котором есть информация, от мира, в котором есть только вероятности будущего.
Фактически, это граница определяет предел нашей вселенской матрешки. Все, что мы наблюдаем, состоит из составных частей. Мы состоим из клеток, которые состоят из молекул, которые строят из атомов, которые состоят из протонов, которые состоят из элементарных частиц, и стоп. Это последняя неделимая матрешка. По крайней мере, нам так кажется сегодня. Возможно, если по ней сильно бить, она развалится на что-то ещё (не думайте, что физики сильно отличаются от маленьких детей, принцип исследования мира тот же самый — сломать и посмотреть, что там внутри). Но, силёнок у нас не хватает, адронный коллайдер — это максимум энергии, которую мы можем достичь на сегодняшнем уровне развития нашей цивилизации.
Понимание того, почему возникает эта невидимая граница, кроется в том, как происходят измерения положения шара. Чтобы определить, где находится шар, мы должны его увидеть; чтобы что-либо увидеть, мы должны это осветить. Например, обычным фонариком. Свет от фонарика, являющийся потоком фотонов, отразившись, попадёт к нам в глаз и мы, увидев его, сможем зафиксировать положение шара. Фактически мы обстреливаем шар мелкими частицами (фотонами) и фиксируем изменения их траектории. Теперь будем уменьшать шарик, каждый раз фиксируя его положение. В какой-то момент он станет меньше длины волны видимого света и мы не сможем его разглядеть. Поэтому, нам придётся взять более высокочастотные и более высокоэнергетические фотоны.
И тут начинаются проблемы. Пока шар был большой, и мы обстреливали его фотонами, они практически никак не влияли на его траекторию движения. А вот когда мы уменьшили шар и фотоны стали соразмерны (по энергии) с ним, они начали сбивать его с первоначальной траектории. Таким образом, замеряя его координаты, мы меняем его скорость и тем самым делаем невозможным точные измерения. Как в бильярде, мы бьем белым шаром по чёрному и, по рикошету белого, можем определить, где находился чёрный, но при этом сбиваем последний с места.
Или, как в интерпретации старого анекдота про слепых мудрецов и слона. Пять слепых слонов решили исследовать, что такое мудрец; первый слон наступил на него и сказал, что мудрец — это нечто плоское и мокрое. Остальные слоны проверили и согласились с первым. Это так называемый эффект наблюдателя. Когда мы пытаемся замерить объект, мы воздействуем на него, внося возмущение в его поведение, и тем самым меняя его. То есть извлечение информации всегда влечёт за собой изменения в объекте наблюдения. Что в принципе очевидно. Пока мы оставались в размерах классической физики, наше воздействие на объект исследований было минимальным (слепые слоны не в счёт). Но как только мы спустились до масштабов элементарных частиц, наши инструменты исследований стали соразмерны с исследуемыми объектами (а мы стали слепыми слонами).
Может показаться, что принцип неопределённости вызван только эффектом наблюдателя, но это не верно. Эксперимент двух щелей, который разберём ниже, не только показал, что принцип неопределённости носит более фундаментальный характер, но и заставил усомниться в логичности мира.
Возьмём электронную пушку, которая стреляет электронами; причём может стрелять как очередями, так и единичными электронами. Поставим перед ней непрозрачный экран с одной щелью. А за экраном поставим поверхность с датчиками, которые улавливают куда попал электрон. И начнём стрельбу. Ожидаемо, электроны, как и полагается частицам, будут попадать в область за щелью. Теперь усложним эксперимент и сделаем две щели. Логично предположить, что одни электроны будут проходить через одну щель, другие через вторую, и, соответственно, попадать в области за этими щелями. Логично? Да, логично. Но нет, мы получаем картину, где идут множество полос попаданий. Так называемую интерференционную картину. (Для наглядности вот ссылка: http://ckto.narod.ru/fromPhizics/APhysics/5_2_1.htm)
Интерференционная картина получается, когда складываются две волны. Там, где их амплитуды совпадают будет максимум. А там, где они в противофазе будет ноль. То есть, получается, что электроны ведут себя не как частицы, а как волны. Проходя через щели, электроны взаимодействуют друг с другом как волны и дают соответственно интерференционную картину на выходе. Ну казалось бы и ладно, не мы придумали этот мир, чтобы требовать от электрона как себя вести. Хотя, как электрон может быть волной, если он неделимый, не совсем понятно. (Интересно что так же себя ведут и более крупные объекты, такие как атомы и молекулы. Интерференцию давали молекулы с весом 10 000 атомных единиц массы.)
Пока что ничего такого, что вызвало особые проблемы. Но что будет, если пускать электроны по одному? По-видимому, электрон будет проходить через одну из щелей и попадать только в области за одной из них. Но мы опять получаем интерференцию. С кем же электрон интерферирует? Получается он, взаимодействует сам с собой? Бред? Бред! А ведь это экспериментальный факт, именно так устроена наша реальность. Но, веселье только начинается.
Давайте попытаемся определить через какую из щелей проходит электрон. Для этого у первой щели поставим источник фотонов. Когда электрон будет пролетать через первую щель, мы это сможем зафиксировать. Сказано — сделано. Все прекрасно, мы видим, что электрон прошёл через эту щель и… интерференционная картина пропала. Электрон ведёт теперь себя как обычная, приличная частица, без намёка на волну.
То есть, результат зависит от того смотрим на электрон или нет. Электроны, которые проходят через вторую неосвещенную щель, тоже ведут себя как частицы. А как они узнали, что первая щель освещена, если прошли через вторую? Реальность меняется, в зависимости от того смотрим на неё или нет? Если мы не будем смотреть на Луну, она исчезнет? (Как тут не вспомнить фильм «Не смотрите наверх»)
Это все были факты, которые физики добыли из нашей реальности. Теперь же рассмотрим интерпретации фактов, пытающиеся их связать в непротиворечивую теорию.
Интерпретация первая, детерминистская (именно эта интерпретация утверждает, что бог не будет играть в кости). Можно предположить, что частицы не шарики, а например кубы или какие-нибудь октаэдры, причём как-нибудь хитро закрученные. Поэтому, когда они сталкиваются, то разлетаются в зависимости от своего внутреннего положения. А так как мы не видим их внутреннюю структуру, нам результат кажется хаотическим и непредсказуемым. Или, возможно есть какие-то другие физические поля или взаимодействия, которые влияют на результат столкновения. Что означает, существуют некие скрытые параметры, предположил Эйнштейн, которые оказывают влияние на конечный результат. Основная проблема этой интерпретации: найти эти скрытые параметры и сформулировать непротиворечивую теорию пока что не удалось.
Интерпретация вторая, мистическая. Она утверждает что да, Бог играет в кости. И стоит отвернуться, передергивает. Его пути как известно неисповедимы и мы докопались до уровня, где видим как он осуществляет свою волю. И реальность существует, потому что мы на неё смотрим. Так что все, вот предел физики и мы его достигли. Закрываем лавочку и расходимся. Проблема этой интерпретации очевидна, она ничего не объясняет.
Интерпретация третья, копенгагенская. Не надо паники, сказал Бор, мы не понимаем, что это такое, но мы много чего не понимаем. Например, мы не знаем, что такое заряд или что такое энергия, но считать эти величины мы прекрасно умеем. Так же и здесь, мы не понимаем, чем вызван принцип неопределённости, поэтому примем это как факт, как закон природы. Мы не понимаем, почему частицы существуют как вероятности пока не снимем информацию. Мы не знаем, где именно вероятность схлопнется в реальность. Но, статистически мы можем прекрасно предсказывать результаты измерений. Давайте строить формализм, который можно сравнивать с реальностью. И этот прагматичный подход дал результаты, все достижения современной науки и техники обязаны именно разработке формализма квантовой механики и квантовой теории поля (там вообще все ещё намного хуже с пониманием). Поэтому, именно копенгагенская интерпретация самая популярная среди физиков, она тоже не даёт понимания как устроена реальность, но позволяет делать расчёты.
Все эти разнообразные интерпретации имеют свои плюсы и минусы. Где-то они противоречат друг другу, а где-то дополняют. Однозначно одно, у нас нет полной теории, объясняющей механизм схлопывания вероятностей в реальность. В понимании реальности мы опять оказались на уровне жрецов Майя. Помните, у них был календарь, позволявший точно предсказывать небесные явления, но механизма его они не понимали. Так и сейчас, мы можем отлично все предсказывать, мы знаем как правильно все посчитать. Но почему это все так работает, мы не понимаем. К сожалению наши вычисления результатов на уровне шаманизма; тут нужно ударить в бубен, там подпрыгнуть два раза, потом развернуться, подудеть в дудку в итоге получим нужный результат.
В сухом остатке мы имеем следующие факты: а) Есть граница дальше которой, снять точную информацию мы не можем. Мы дошли до последней матрешки. б) Каждый раз, получая информацию, мы влияем на объект исследований. в) Материя существует в виде вероятностей, пока мы не попытаемся снять с неё информацию. Тогда она схлопывается в реальность, порождая информацию. Граница, определяемая принципом неопределённости, фактически очерчивает минимальный пиксель нашей реальности, за ней она заканчивается.
Интерпретация четвёртая, геймерская. Вернее это не интерпретация, а аналогия. Как все аналогии она не описывает само явление, но позволит пояснить что мы нашли. Представьте что наша 4-мерная реальность это игра, изображение на гигантском 5-мерном экране. Изображение транслируется на экран по правилам некоего кода, которые мы воспринимаем как законы физики нашей реальности. А мы соотвественно НПСы в этой игре. Так вот, НПСы докопались до пикселей монитора. Эти пиксели создают изображение — нашу реальность, но существуют по совершенно другой логике и другим правилам. И принадлежат другой реальности. Поэтому к ним не применимы ни наши методы исследований, ни наша логика. (Для любознательных: Объём вселенной составляет 8.2х10^180 планковских объёмов. Такое вот не слабое разрешение у нашего экрана.)
Можно предположить, что код нашей реальности совершенно читерский, причём с кучей багов, которые поленились пофиксить. Ведь если все это создавалось с целью контролировать мораль неких существ (не будем на них показывать пальцем), чтобы потом распределять их в другие реальности в зависимости от их поведения, ну и черт с этими багами. Их и так куча, все эти чёрные дыры, спонтанные нарушения симметрий. Подумаешь ещё один баг на микроуровне. Сами виноваты, что так глубоко залезли, никто вас не просил копаться в текстурах. Лучше вон молитесь правильно и следуйте правильным правилам, чтобы успешно пройти квест под названием жизнь. Да, и не учите Отца логике, он ее придумал, он ее и будет нарушать!
Однако, хочется надеяться, что код написан
правильно и что мы пока ещё не разобрались во всех деталях. Возможно в этом и
есть наше предназначение и однажды мы сможем заглянуть за ту сторону экрана.
Аминь.
