Квантовый парадокс Зенона

Ква́нтовый эффе́кт Зено́на (квантовый парадокс Зенона) — метрологический парадокс квантовой механики, заключающийся в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы с дискретным энергетическим спектром прямо зависит от частоты событий измерения её состояния. В предельном случае нестабильная частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться.

Впервые предсказан в 1954 годуАланом Тьюрингом, позже, в 1957 году, советским физиком Леонидом Халфиным[1].

10 необычных явлений, мысленных экспериментов и парадоксов квантовой механики

В 1978 году американские физики Байдьянат Мизра и Джордж Сударшан описали эффект, назвав его именем Зенона Элейского[2]; название восходит к апории Зенона о полёте стрелы.

Квантовый эффект Зенона для вероятности переходов между атомными уровнями (сверхтонкое расщепление основного состояния пяти тысяч ионов 9Be+, накопленных в ловушке Пеннинга и охлаждённых до 250 мК) был экспериментально обнаружен в конце 1989 года Дэвидом Вайнлендом и его группой в Национальном институте стандартов и технологий (Боулдер, США)[3][4]. Приложение радиочастотного резонансного поля переводило атомы в верхнее состояние двухуровневой системы; однако когда одновременно с этим измерялось состояние атомов с помощью УФ-излучения, переход в возбуждённое состояние подавлялся в хорошем соответствии с теоретическим предсказанием.

Примечания

Литература

Парадоксы квантовой физики и интерес к восточному мистицизму.

Парадоксы квантовой механики:

Первый парадокс: «проблема корпускулярно-волнового дуализма». Она состоит в том, что, как давно было известно, свет (т.е. фотоны, а также, как выяснилось далее, электроны, и любая другая элементарная частица) иногда ведет себя, как частицы («корпускулы»), а иногда – как волны. Учёные проводили эксперимент одного вида – свет вёл себя, как частицы, проводили эксперимент другого вида – как волны. Этот спор – «чем же на самом деле является свет, корпускулами или волнами» — шел довольно долго, и решения в ту или иную сторону не было.

Второй парадокс: распад свободного нейтрона. Если, скажем, летит свободный нейтрон, то в некоторый момент он самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Летит другой, точно такой же свободный нейтрон, и тоже распадается на те же самые частицы, но — через другое время. Спрашивается: почему один нейтрон распался раньше, а другой – позже? Предполагалось, что с первым нейтроном что-то не так, поэтому он распался раньше. Но сделав массу экспериментов, ученые ничего подобного не находили. Нейтроны были совершенно одинаковы, и нет никакой причины, по которой один распадался раньше, а другой позже.

Третий парадокс: «кот Шредингера». Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров. Согласно квантовой механике (а именно принципу суперпозиции), атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно. До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50%, и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.

Четвёртый парадокс: (к коту) «друг Вигнера». Юджин Вигнер ввел категорию друзей. После завершения опыта, экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг. Друг еще не знает, жив кот, или мертв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья еще не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот остается полуживым и полумертвым одновременно.

Пятый парадокс: двухщелевой эксперимент. Эксперимент с двумя щелями является квинтэссенцией принципа квантовой суперпозиции. Экспериментальная установка состоит из источника, диафрагмы из двух щелей, и экрана, на котором наблюдается интерференционная картина. После прохождения щелей на экране позади барьера возникает интерференционная картина из чередующихся ярких и темных полос. Отдельные фотоны попадают на экран в отдельных точках, но наличие интерференционных полос на экране показывает, что существуют точки, в которые фотоны не попадают. Пусть р — одна из таких точек. Тем не менее фотон может попасть в р, если закрыть какую-либо из щелей. Такая деструктивная интерференция, при которой альтернативные возможности могут иногда сокращаться, является одним из самых загадочных свойств квантовой механики.

 

Интерес к восточному мистицизму:

Тема взаимосвязи физики и восточного мистицизма стала весьма популярной в 20 веке. Свои теории на счет сходств физики и восточного мистицизма представили Ф. Капра, Й. Барбур, Р. Джоунс, Д. Бом, П.С. Гуревич, Н. Сретенова, Дж. Клир, Л. Фон Берталанфи, В.С. Поликарпов и многие другие. Наиболее влиятельной работой следует признать труд Капры «Дао физики». Капра занимался именно мистицизмом Востока, а не Запада, потому что, как он отмечал, на Востоке мистические школы всегда были основой большинства религиозных и философских систем, а на Западе мистика как бы побочна. Кроме того, восточные традиции признают единство духовного и материального, пытаются осознать всё человеческое естество, а не только душу. Капра описал основные черты индуизма, буддизма, конфуцианства, даосизма, дзэна. Он увидел их связь с положениями современной физики в следующем:

1) Как мистики пытаются дойти до подсознания, так физики экспериментально доходят до элементарных частиц, а теоретически – до состояния физического вакуума;

2) Для восточного мистицизма все вещи и явления взаимосвязаны, для квантовой физики мир является не совокупностью отдельных физических объектов, а системой взаимоотношений различных частей единого целого;

3) И мистики, и физики признают единство противоположностей. В мистике это свет и тьма, добро и зло, инь и ян. В физике об этом свидетельствует принцип дополнительности Бора: волна и частица, координата и импульс, пространство и время;

4) Мистический Абсолют можно отождествить с вакуумом или чистым квантовым состоянием замкнутой системы, потому что:

· Ни в Абсолюте, ни в вакууме нет ни времени, ни пространства, ни причинности;

· Воплощение Абсолюта в различных тленных формах сравнимо с «кипением» вакуума

5) Мистики характеризуют какой бы то ни было объект не как вещь, а как процесс, т.е. для них всё есть энергия, все квантовые частицы тоже можно охарактеризовать только количеством энергии, равном их массе;

6) И в физике, и в восточных мистических учениях признается особая роль разума (в квантовой механике это иллюстрируется тем, что поведение фотона различно в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя);

7) И физики, и мистики признают, что мир динамичен. Частицы постоянно создаются и разрушаются, материя превращается в энергию, а энергия в материю. Для буддистов и индуистов весь мир всё время перерождается.

Рассмотрев параллели между физикой и мистикой, Капра задается вопросом их интерпретации. Наука, безусловно, не занимается сейчас открытием истин, понятых восточными мыслителями много тысяч лет тому назад. И названные сходства не приведут к синтезу науки и религии. Капра пишет, что «Наука и мистицизм являются для меня двумя дополняющими друг друга сторонами человеческого познания: рациональной и интуитивной». Рационализм, разумеется, представлен физикой, интуитивизм – мистикой.

Random Science: как квантовый эффект Зенона останавливает время

Рационализм и интуитивизм, как известно, имеют много принципиальных различий. Адекватное мировосприятие – это соединение в сознании каждого человека и научного, и мистического. «Наука не нужна мистицизму, мистицизм не нужен науке, но людям необходимо и то, и другое». Согласно Капре, именно мистика позволяет постичь главное (основы бытия), наука же служит практическим целям (выжить без науки невозможно). Человеку нужен и разум, и интуиция. Столь значительный труд вызвал неоднозначную оценку как со стороны просто читающей публики, так и со стороны публики ученой. Критика последовала со стороны Й. Барбура (в книге «Религия и наука»). Барбур писал, что, по его мнению, Капра преувеличивает, целенаправленно игнорирует различия между двумя названными дисциплинами и порой просто вырывает отдельные положения из контекста. Так, по словам Барбура, названное Капрой одинаковым единство представляет собой совершенно разные категории в мистических традициях и в физике. Последние говорят о детерминированном единстве, немыслимом без принципа симметрии и закона сохранения, мистики же имеют в виду единство неразличимое, не поддающееся четким закономерностям. Он пишет: «Если сторонники механицизма признают только части, то Капра однобоко обращает внимание лишь на целое». Также Барбур говорит о невозможности отрицания плюрализма как фактора развития. Признает неправильным он и восприятие вневременности Капры, обращаясь к становлению пространства временным в теории относительности. Барбур также отмечает, как мне показалось, некоторую поверхностность Капры: Фритьоф разбирает только восточный мистицизм в целом, как будто не замечая, что множество существующих на Востоке религий не являются тождественными друг другу и имеют значительные различия. Плюс ко всему, Капра не учитывает такие общие чрезвычайно важные аспекты как цель, методология и язык, которые несравнимы в физике и мистике. В то время как ученые-физики трудятся в целях понимания мира (не понимания мира каждым отдельным ученым, а всечеловеческого понимания), то каждый религиозный человек, согласно Барбуру, совершенствует свою душу (медитирует ради себя, строит личную конструкцию мировосприятия). Недоверие к «Дао физикам» высказал и Ричард Джоунс (в своей книге «Наука и мистика»). Он, как и Барбур, считал, что Капра недооценивает важность целостности анализа и порой использует положения, которые могут быть правильно поняты лишь в нужном контексте. Р. Джоунс, рассматривая физику, индуизм и буддизм, отрицает наличие конфликта между наукой и религией в силу их независимости друг от друга. И наука, и религия для Джоунса имеют собственную познавательную ценность. Наука структурирует то, что возможно объединить в систему, и выводит из этого закономерные явления и процессы. Мистика же обращается к тому, что структуризации не подлежит и не несет в себе фиксированного разнообразия. Единственное, что видит общее в науке и религии Джоунс – это опора на опыт (личный или научный). Таким образом, наука и мистика работают в разных областях, следовательно, между ними невозможны ни интеграция, ни взаимопомощь, ни споры, ни конфликт. Также были труды и многих русских ученых-исследователей. Но, думаю, для одного билета уже и так более чем хватит. И даже более чем много.

 


Парадоксы микромира: квантовая механика

«Если квантовая механика не потрясла вас до глубины души — вы ее не поняли.»
Нильс Бор

На первый взгляд кажется, что квантовая механика противоречит здравому смыслу. На самом деле она противоречит лишь законам макромира, где действует механика Ньютона. А мир элементарных частиц живет по своим правилам.

Граница между мирами

Макс Планк (1858–1947) — физик-теоретик, основоположник квантовой физики

У квантовой теории есть точная дата рождения — 14 декабря 1900 года. В этот день проходило заседание Немецкого физического общества, на котором Макс Планк зачитал свой доклад, где впервые прозвучал термин «квант». Этим словом ученый обозначил порцию энергии, излучаемой атомами. Он вывел формулу, при помощи которой можно рассчитать количество энергии, соответствующей одному кванту. Эту величину назвали постоянной Планка.

Сам Планк не считал кванты реальной вещью, для него это была всего лишь удобная математическая модель, позволяющая объяснить взаимодействие между электромагнитными волнами и атомами. Но предположение Планка, что атомы излучают энергию порциями, позже было подтверждено экспериментально.

Постоянная Планка есть во всех формулах квантовой механики. Ее  присутствие означает, что речь идет о бесконечно малых величинах, гораздо меньше обычной песчинки. Можно сказать, что эта величина в физике проводит границу между микромиром и макромиром.

В микромире, изучением которого занимается квантовая механика, работают совсем не те физические законы, к которым мы привыкли в мире обыденном. Можно даже сказать, что квантовая механика противоречит здравому смыслу. В чем же заключается это противоречие? В первую очередь в том, что в микромире невозможно произвести какие-либо измерения, не повлияв на объект этих измерений.

Квантовая механика на заре своего существования называлась атомной, потому что эта наука изучает движение электронов в атоме

Все очень неопределенно

В обыденной жизни мы живем среди предметов, размеры которых сопоставимы с нашими. Здесь с измерениями проблем нет. Мы можем взять рулетку и узнать высоту и ширину окна в своей комнате — наше присутствие и воздействие рулетки никак не повлияет на размеры окна. В микромире все гораздо сложнее. Мы не можем увидеть электрон невооруженным глазом, более того, у нас нет измерительных инструментов такого микроскопического масштаба.

Квантовый апокалипсис

Чтобы узнать какой-либо из параметров электрона (например, его координаты), физики направляют на него другую элементарную частицу и замеряют отклонения, которые возникли в результате их столкновения.

Таким образом, факт измерения, изучения частицы воздействует на нее. И результаты, естественно, искажаются. Это неразрешимое противоречие квантовой механики: изучение законов элементарных частиц невозможно без воздействия на них, но это воздействие искажает результаты.

Эффект воздействия инструментов на объекты измерения, существующий в квантовом мире, впервые описал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Поэтому он был назван принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, чем меньше неопределенность одной величины, тем больше неопределенность другой. Если бы этот закон действовал в нашем мире, то, измерив ширину окна, мы не могли бы точно узнать его высоту. Это кажется странным, но только для макромира.

Представьте, что в ходе опыта измеряется пространственное положение квантовой частицы. С некоторой погрешностью, возникшей из-за измерения, его удалось установить. Но если мы захотим измерить еще и скорость этой частицы, сделать это будет гораздо сложнее, ведь из-за того, что мы направили к ней электрон, ее скорость изменилась. То есть неопределенность второй измеряемой величины гораздо выше, чем первой. В этом и заключается принцип Гейзенберга. 

«В науке головоломку тебе задает не кто иной, как Господь. Он придумал и саму игру, и ее правила, которые к тому же ты можешь и не знать полностью» (Э. Шрёдингер)

Поделиться ссылкой

Добавить комментарий

Закрыть меню