Понимание квантовой механики: тур по самым странным интерпретациям
15 июля 2025 г.Ричард ФейнманОднажды сказали, что все загадки квантовой механики содержатся вДвойной щелчок экспериментПолем Так что, возможно, самый простой способ объяснить, что такое квантовая механика, - это начать прямо там.
В начальной школе мы узнали, что атомы - это самые маленькие строительные блоки материи, которые все еще сохраняют свои свойства. В течение долгого времени считалось, что атомы не являются неделимыми - отсюда и название - но в конечном итоге было обнаружено, что они состоят из ядра, окруженного вращающимися электронами. Эти электроны - крошечные частицы вещества.
Теперь представьте себе электронный источник - что -то, что излучает один электрон с случайными промежутками в случайном направлении. Поместите экран обнаружения поблизости. Когда электрон попадает на экран, он оставляет крошечную точку, где он приземляется. Между источником и экраном вставьте барьер с одной узкой щели врезанную в него. Если электрон попадает в барьер, он отскакивает назад. Но если это произойдет в направлении щели, он проходит через и оставляет точку на экране.
После того, как многие электроны были выпущены, на экране строится полоса точек в соответствии с щели. Пока что ничего удивительного.
Вырежьте вторую щель рядом с первым. Вы можете ожидать, что вторая полоса появится рядом с первой. Но это не то, что происходит. Вместо этого электроны образуют несколько полос на экране - шаблон, который напоминает помехи, например, что вы получили бы с волнами.
Но электроны не волны. Или ... они?
Эксперимент был позже повторен с использованием атомов и даже небольших молекул, и результаты были по существу одинаковыми. Так что это не только электроны, которые ведут себя как волны, но на самом деле все важно. Причина, по которой мы не замечаем этого в повседневной жизни, заключается в том, что эффект наблюдается только в очень крошечных масштабах.
Чтобы лучше понять, насколько странно все это, давайте представим себя как один из тех крошечных электронов, летящих из источника. Чтобы все было просто, мы рассмотрим только электроны, которым удается пройти через одну из прорези, и оставить отметку на экране.
Когда открыта только одна щель, электрон пролетает прямо через него и попадает на экран позади, оставляя одну точку. Теперь давайте откроем вторую щель. Электрон все еще проходит через одну щель, но каким -то образом «замечает», что другой щель тоже открыта. Вместо того, чтобы продолжить по прямой линии, он отклоняется и приземляется в другом месте, возможно, ближе к центру или краю экрана, помогая сформировать схему помех с другими электронами.
Но как электрон узнает, что другая щель открыта? Почему это меняет свой путь? И как может электрон, крошечная частица материи, просто решить самостоятельно изменить направление?
Это было бы не так удивительно, если бы электрон был волной в конце концов; Образцы помех - это именно то, что мы ожидаем от волн. Но не празднуйте слишком рано, потому что у этой картинки также есть проблемы.
Прежде всего, никто никогда не видел «электронную волну». Всякий раз, когда мы наблюдаем электроны, скажем, с экраном обнаружения, подобным тому, который мы описали ранее, они всегда появляются в виде частиц: крошечная точка в определенном месте. Таким образом, даже не совсем ясно, существуют ли эти волны на самом деле, или они являются просто математическими описаниями того, как ведет себя электрон.
Если мы думаем о волне в этом смысле - как о математическом объекте - то это функция, которая говорит нам о вероятности поиска электрона в данном месте в данный момент времени. Физики называют эти вероятности волнволновые функцииПолем
Проблема с волновыми функциями, как упоминалось ранее, заключается в том, что когда мы наблюдаем электрон, мы всегда находим его в одной конкретной точке - мы никогда не видим, что он распространяется как волна. Физики объясняют это, сказав, чтоволновая функцияколлапсПри наблюдении.
И именно здесь мы погружаемся в глубокие воды квантовой механики:Никто на самом деле не знает, что происходит во время этого краха.
Используя волновую функцию, физики могут с удивительной точностью предсказать вероятность того, где будет появляться электрон, но никто не может точно сказать, где именно этот электрон будет отображаться, когда мы наконец -то ищем его.
Эта вероятностная природа и волноподобное поведение являются фундаментальными свойствами элементарных частиц. Например, если мы поместим электрон в очень маленькую коробку и оставим его в покое, есть определенный шанс, что в следующий раз, когда мы его увидим, мы найдем его вне коробки. Как будто он телепортировался или, в более традиционных терминах, сбежал через туннель.
Это явление известно какКвантовое туннелированиеПолем Это также причина, по которой, помимо определенного момента, мы не можем продолжать сокращать компоненты интегрированных цепей, таких как в микропроцессорах. В чрезвычайно маленьких масштабах электроны начинают «протекать». Они просто убегают от проводов или даже прыгают в соседние.
Благодаря квантовой механике мы видели огромный технологический прогресс почти во всех сферах. И мы, скорее всего, будем многими будущими технологиями, таких как вероятностные или квантовые компьютеры, которые обещают экспоненциально большую вычислительную мощность. Это потому, что у нас есть невероятно мощные математические инструменты для описания квантовых систем.
Используя волновую функцию, мы можем рассчитать вероятность позиции частицы с удивительной точностью. И все же мы все еще в темноте о том, что определяетгдеволновая функция будет рухнуть, что именнопричинычто обрушивается, или даже то, что на самом деле волновая функцияозначаетПолем
Было много попыток ответить на эти фундаментальные вопросы - они известны какИнтерпретации квантовой механикиПолем Их около дюжины. Никто не явно лучше или хуже, чем другие, но все они содержат хотя бы одну глубоко противоречивую идею, которая сталкивается с здравым смыслом.
Одной из наиболее доступных интерпретаций являетсяТеория пилотных волн, связанный с Луи де Брогли и Дэвидом Бом. Согласно этой модели, частицы движутся по направляющей волне, которая может мешать себе, таким образом направляя электроны к местам, которые образуют интерференционную картину.
С этой точки зрения, электрон остается частицей, но он сопровождается волной, которая «направляет» свое движение.
Уловка состоит в том, что направляющая волна нелокальна, что означает, что взаимодействие с одной частицей может мгновенно влиять на другую частицу, даже одну, расположенную на противоположной стороне вселенной. Эффект непосредственно.
Как будто все во вселенной было как -то связано. Для руководящей волны, пространство и расстояние, кажется, не существуют. И чтобы полностью описать состояние только одной частицы, нам теоретически нужно знать состояниевсеДругие частицы во вселенной, поскольку все они оказывают влияние. Это ... довольно странно.
Этот вид нелокальности является ключевым свойством в квантовой механике, и чтобы проверить, является ли она реальной, три физика придумали удивительно умный эксперимент. Их работа была настолько новаторской, что заработала им Нобелевскую премию 2022 года по физике.
Ядро эксперимента включает в себя создание пары запутанных частиц. В этом контексте запутанные означает, что частицы связаны таким образом, что они дополняют друг друга в некотором измеримых свойствах.
Для электронов одно из таких свойств называется Spin. Это часто описывается как своего рода угловой импульс, но на самом деле электроны на самом деле не «вращаются», как крошечные топы. Таким образом, лучше думать о SPIN как о внутренней собственности, например, массе или электрическом заряде.
SPIN может быть либо «вверх», либо «вниз», и в запутанной паре, если один электрон вращается, другой должен быть раскручивается. На самом деле, состояние электрона может быть более сложным, что -то вроде Up -Lown -Up, и тогда его запутанное партнер будет вниз.
Спин также описывается волновой функцией, которая, согласно квантовой механике, обрушивается в тот момент, когда она измеряется. До этого момента электрон не имеет определенного значения спина. Это можно проверить экспериментально.
Если бы спин был предопределен, то после повторения одного и того же измерения много раз, мы получили бы определенное статистическое распределение результатов. Но если квантовая механика верна, мы получаемдругойСтатистический шаблон - тот, который не может быть объяснен предопределенными значениями.
Представьте себе, что вы можете разгромить. Мы не можем предсказать результат какого -либо отдельного рулона, но после 100 рулонов мы ожидаем примерно равных количества каждого числа. Если результаты искажены, а шесть появляются гораздо чаще, мы могли бы подозревать, что кубик загружена. Именно так ведет себя электронный спин: как будто природа использует загруженную кубик. Но странная часть заключается в том, что то, как загружается матрица, зависит от того, как настроено измерительное устройство.
А поскольку устройство измерения должно быть настроено только прямо перед самого измерения, кажется, что электрон не решает его вращение до этого самого момента. Но как только мы измеряем вращение одного электрона, вращениедругойЭлектрон - его запутанный партнер - должен мгновенно попасть в противоположное состояние.
Это происходит, даже если два измерительных устройства разделены тысячами световых лет. Это тот вид нелокальности, которая встроена в квантовую механику, и то, что затрудняет его принять.
Эксперимент был изначально основан наМыслительный эксперимент Альберта Эйнштейна, предназначенное для опровержения нелокальной природы квантовой механики, которая напрямую противоречит относительности. Эйнштейн полагал, что квантовая механика была неполной, и что должно бытьСкрытые переменные, неизвестны, но фиксированные значения, которые определяют такие вещи, как спин перед любым измерением.
Например, он предположил, что Spin имел определенное значение все время, даже если бы мы могли найти его только путем измерения. К сожалению, Эйнштейн не дожил до эксперимента в реальном мире, который не опровергал квантовую механику. Напротив, это подтвердило, что нелокальность реальна.
Таким образом, SPIN действительно приобретает свое окончательное значение в момент измерения, и при этом мгновенно меняет состояние своей партнерской частицы, даже один легкий год.
Были предприняты попытки устранить эту нелокальность из квантовой механики, но альтернативные интерпретации не менее странные. Взять, к примеру,Эверетт «Интерпретация многих мира».С этой точки зрения, волновая функция реальна иникогда не рушитсяПолем Вместо этого при каждом измерении вселенная распадается в бесчисленные параллельные вселенные - одну для каждого возможного результата. В каждой вселенной электрон заканчивается различным спином.
Я не знаю о вас, но для меня идея бесконечного количества вселенных звучит довольно дико.
И все же, когда Ричард Фейнман записал уравнения квантовой электродинамики, он сделал это на основе очень похожей идеи. Он предположил, что во время эксперимента с двойным щелчком электрон не идет только по одному пути, он исследуетВсе возможные путиПолем Если мы добавим все эти возможные пути, взвешенные по их вероятности, мы получим конечный результат: интерференционная картина.
The only problem is that an electron can reach the screen in infinitely many ways. So to calculate the final result, you would have to sum up an infinite number of paths.
Большинство людей не любят иметь дело с бесконечностями по математике, но Фейнман не был большинством людей. Он выяснил, как разобрать бесконечности умным образом, и, используя этот метод, он достиг невероятно точных результатов.
Квантовая электродинамика, благодаря подходу Фейнмана, дала нам мощное понимание того, как работает материя. Это помогло объяснить химические реакции и многие другие явления, и заработало Фейнман Нобелевскую премию по физике.
Тем не менее, в более поздней лекции Фейнман отметил, что математика, которую он использовал, была «абсурдной», и признал, что он действительно не понимал, что он описывал. На самом деле, заявил он,никтоВ мире действительно понимает квантовую механику.
Есть люди, которые думают, что они это делают - но, по его словам,Они ошибаютсяПолем
Если вам неудобно идея бесконечности, вот еще один вариант:ретрокаузаПолем
Ретрокауза означает, что эффект может прийти до его причины. Но давайте не будем бить вокруг куста; По сути, это путешествие во времени. Если мы позволим определенным влияниям во времени двигаться назад, мы можем избежать как нелокальности, так и этих надоедливых бесконечностей.
В этой интерпретации, когда мы измеряем вращение электрона, этот акт посылает влияние назад во времени, влияя на его запутанного партнера. В результате спин уже «устанавливается» в правильном направлении в момент создания, так что, когда мы позже выполняем измерение, мы видим ожидаемую статистическую картину.
Проще говоря: электрон «знает заранее», как будет настроено измерение устройства, и его спин соответственно регулируется до того, как измерение даже пройдет.
Если ретрокауза все еще чувствует себя слишком странной, есть еще один плот жизни:супердетерминизмПолем
В эксперименте, который подтвердил квантовую нелокальность, существует невысказанное предположение: что ученые устанавливают свои измерительные устройства случайным образом, точно так же, как кататься. Супердетерминизм бросает вызов этому предположению. Он утверждает, что нет такой вещи, как случайность. Вселенная полностью детерминированная, что означает, что все в точности предсказуемо, и все уже было решено в самом начале, в момент большого взрыва.
Если это правда, то нет необходимости в сигналах, движущихся назад во времени, бесконечностях или не локальности. Спин электрона, настройки на измерительном устройстве и даже, казалось бы, «странные» статистические результаты, предсказываемые квантовой механикой, все это уже выпечено во вселенной с самого начала.
Математика прекрасно работает. Вам не нужны вероятности. Вам не нужно путешествие во времени. Но компромисс огромный: вселенная должна была быть настраивалась так, в что это очень трудно поверить.
Подумайте об этом: если мы повторим эксперимент 1000 раз, мы получим результаты, которые квантовая механика предскажет все 1000 раз. Согласно SuperDeterminism, это происходит потому, что вселенная решила в самом начале, в том числе то, как ваш мозг переместит вашу руку, чтобы установить измерительное устройство прямо для получения точных результатов.
Это все равно, что бросить кубик и получить шесть гораздо чаще, чем ожидалось, но настаивать на том, что они не сфальсифицированы. «Так работает вселенная», - говорили вы. «Каждый раз, когда я его бросаю, я просто получаю шесть». Почему? Потому что результат каждого броска и движение вашей руки уже были решены, когда родилась вселенная.
Конечно, этовозможный... но в это трудно поверить.
И вот вишня на вершине: если мы примем такую предварительную задачу, то мы должны отказаться от свободной воли. Каждый выбор, который мы делаем, уже написан в начале времени. Наша судьба вырезана в камне.
Если мы хотим сохранить свободную волю и освободить ее от жестких правил физического закона, мы в конечном итоге вернулись на так называемый «традиционный»Копенгаген интерпретацияквантовой механики.
Согласно этой точке зрения, волновая функция рушится в момент измерения.
Но есть проблема: само измерительное устройство работает в соответствии с законами квантовой механики. Так что это не может быть причиной коллапса. Что же тогда,делаетвызвать крах?Сознательный наблюдатель.
Эта интерпретация была отстаивана нобелевским лауреатом Юджином Вигеном, который зашел так далеко, что предположил в своих работах, что нам, возможно, нужно вернуться к своего рода дуализму, идея о том, что сознание является фундаментальной сущностью, существующей вне материального мира, управляемого квантовыми законами.
Вигнер был не одинок. Эрвин Шредингер также сильно размышлял о природе сознания, часто ссылаясь на восточные философские традиции в своих трудах.
Философские вопросы, окружающие сознание, остаются без ответа по сей день. И как только мы приглашаем их в физику, мы открываем коробку Пандоры.
Затем мы вынуждены задавать такие вопросы, как:В какой момент живое становится сознательным?И более принципиально:Что такое сознание, во всяком случае?
Если ни одна из приведенных выше интерпретаций не кажется убедительным, не волнуйтесь, есть еще. Вы можете найти их наВикипедияПолем Но не заблуждайтесь: это так же странно и умоляющее, как и те, которые мы обсуждали.
Квантовая механика - это жесткая гайка. Это радикально отличается от всего, что мы испытываем в повседневной жизни. Это просто не подходит для упрощенных ментальных моделей, которые мы разработали, чтобы разобраться в мире.
Когда Эйнштейн ввел теорию относительности, он встряхнул наши основные представления о пространстве и времени, но он дал нам что-то взамен: четырехмерная ткань пространства-времени, такую как невидимый эфир, который мог быть изогнут массивными объектами и в рамках, в которых волны и частицы ведут ведущие в результате предсказуемых способов. Это то, что мы можем себе представить.
Но квантовая механика? Это разрушает наше понимание пространства и времени полностью. Частицы, разделенные световыми годами, могут мгновенно повлиять на друг друга. Некоторые эффекты могут даже двигаться назад во времени.
А что мы должны заменить эти потерянные концепции?Только математика.
Если мы примем принципиально вероятностную природу реальности, то все работает очень хорошо. Поведение квантовых систем может быть предсказано с невероятной точностью, и весь наш современный технологический мир основан на этих прогнозах.
Возможно, это лучшая модель, которую мы когда -либо имели: огромная система, управляющая непостижимым количеством расчетов. В некотором смысле, вселенная похожа на гигантский компьютер, и наше сознание каким -то образом подключено к нему - интерфейс, формированный нашими чувствами.
И хотя мы никогда не можем полностью понять истинную природу реальности, это не неудача, это особенность быть человеком. Что мыможетУтешайте это: даже если модели в наших умах не идеальны, они все равно удивительно близки.
Оригинал