Парадокс Вигнера

Жариков Владимир Михайлович

– Анатолий Петрович, я прошу меня извинить, – вмешался Илья Кузьмич, – это всё интересно, но я жду от Вас научных доказательств существования параллельных миров и цели Вашего исследования коматозного пациента, если Вы докажите безопасность его проведения!

– Хорошо, я углублюсь сейчас в науку! – согласился Куликов, но если Вам будет непонятно, о чем я говорю, подскажите мне об этом!

Как родилась квантовая механика? Дело в том, что в 1900-м году во время одного из экспериментов Макс Планк обнаружил странное поведение излучения, полностью противоречащее законам классической электродинамики. Этот эксперимент повторяли многие учёные, чтобы лично убедиться в открытой парадоксальности его результатов.

Эксперимент проводился с двумя щелями, и его цель заключалась в изучении, как ведут себя частицы и волны, проходя через одну и две щели, сделанные в преграде на их пути от источника к экрану. Представьте себе, что мы шариками (частицами) из специального устройства (источника) обстреливаем экран, на котором остаются следы их столкновения с ним. Между стреляющим устройством и экраном установлена преграда – металлический щит с одной или двумя щелями в виде вертикальных прорезей.

Рассмотрим сначала опыт, если щель будет одна. Попадая в щит, шарики отскакивают, а угодившие в прорезь, летят дальше к экрану и, сталкиваясь с ним, оставляют следы. После длительного обстрела огромным количеством шариков, мы получим на экране вертикальную полосу, состоящие из следов столкновений шариков с экраном. В случае двух щелей-прорезей – на экране остаются две вертикальных полосы. А теперь погружаем экран, преграду со щелями наполовину в воду, а источник будет выбрасывать не шарики, а гнать волну на поверхности воды. Экран будет отражать наибольшую силу столкновения с ним волны.

В случае одной прорези, на экране появиться яркая вертикальная полоса, как в случае с шариками. А если мы добавим ещё одну щель в преграде? Казалось бы, получим две полосы, как с шариками. Но нет! На экране мы увидим множество вертикальных полос. Причём, самой яркой будет полоса в центре экрана, соответствующая максимальной силе волны. Что же произошло в данном случае? Проходя через две щели, волна от источника разделяется на две. Одна – за счёт прохождения первой щели, другая – второй. А дальше на пути от преграды до экрана волны начинают гасить друг друга и, достигая его, оставляют на нем следы. Самая яркая полоса будет в центре экрана, а от него вправо и влево яркость полос снижается.

С волнами произошла так называемая интерференция, и это уже было известно в классической физике. А теперь давайте посмотрим, как ведут себя фотоны, маленькие частицы света. Если мы пропустим их через одну щель, то на экране видим вертикальную полосу, как и в случае с шариками. Но если мы пропустим фотоны через две щели, то вместо двух полосок, мы увидим их множество, как в случае с волнами. То есть на экране будет интерференционный узор. Это невозможно, ведь фотоны представляют собой частицы! Парадокс подвиг учёных Нильса Бора и Гейзенберга в 1927 году в Копенгагене сформулировать вывод о том, что свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом. То есть свет или оптический луч представляет собой одновременно и поток частиц и волну излучения, что противоречило законам классической физики и послужило рождению науки – квантовой механики! Позднее учёные выяснили, что подобно фотонам так ведут себя электроны, протоны и различные атомы. Эту формулировку назвали Копенгагенской интерпретацией.

Квантовой механикой занялись многие учёные, а она не переставала удивлять их и даже обескураживать своими парадоксами. Появились предположения, что опыт с двумя щелями даёт парадоксальный результат от того, что фотоны, проскакивая в прорези преграды по пути к экрану, сталкиваются между собой и разлетаются. Достигая экрана с различными скоростями, ударяются об него с неодинаковой силой, вызывая появление интерференционного узора. Решили «выстреливать» по одной микрочастице друг за другом, исключив тем самым их столкновение и взаимодействие, но результат оставался неизменным. Получалось, что частица разделялась

надвое, проходила обе щели и, столкнувшись сама с собой на пути к экрану, оставляла на нем множество полос.

Так возникла необходимость наблюдения за электроном, чтобы определить через какую щель частица проходит на самом деле? Решили «подсмотреть», как он ведёт себя, пролетая сквозь щель? Поставили около одной щели измерительный прибор и выпустили электрон, но в квантовой механике больше мистики, чем учёные могли предположить. Когда стали наблюдать, частицы снова начали вести себя, как маленькие шарики, и произвели на экране изображение двух полосок, а не интерференционный узор. Результат наблюдения показал, что электрон проходит одну прорезь, а не две. Частица как будто знала, что за ней следят и «от стыда спрятала от наблюдателя волновые качества». Этого не могло произойти даже по законам новой науки, но неоднократно проведённые исследования неоспоримо доказали этот факт. Так открыли коллапс волновой функции микрочастиц.

Позднее учёные объяснили этот коллапс следующим образом. Для того, чтобы измерить электрон, то есть провести за ним наблюдение, его нужно ударить о квант измерительного прибора. Именно из-за этого удара волновые функции электрона исчезают и он становиться только частицей. Таким образом, сам наблюдатель не влияет на частицу, и коллапс волновой функции электрона вызывают кванты измерительного прибора. Но факт внесения изменений в квантовую систему был сам по себе парадоксален и впоследствии учитывался учёными при исследованиях, потому что вызывал изменение исходных суперпозиций.

Развиваясь, квантовая механика вошла в противоречие не только с классическими науками, но и с известной теорией относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не может двигаться во Вселенной быстрее скорости света. Кроме того эта теория тоже имеет парадокс: чем быстрее движется объект, тем больше замедляется его время. Достигая скорости света, оно вообще останавливается. Проще говоря, если бы мы полетели на космическом корабле, способном развивать скорость света в другую галактику, находящуюся на расстоянии в триста миллиардов световых лет, то мы бы туда долетели за одно мгновение. Потому что для космического корабля время бы остановилось, а на Земле прошло три миллиарда лет. Почему скорость замедляет время, которое взаимосвязано с пространством для нашей Вселенной? Это невозможно в реальном мире.

В чем противоречие законов квантовой механики теории Эйнштейна? В превышении скорости света! Одним из доказательств является мгновенное изменение спина второго фотона из квантово-запутанных пар, в случае если мы измеряем спин первого и наоборот. Спин – это направление вращения микрочастицы вокруг своей оси, и если одна из пары вращается по часовой стрелке, то вторая по закону сохранения импульса, должна иметь противоположное вращение. Другого варианта просто не бывает! Так, если разнести фотоны квантово-запутанных пар на бесконечное расстояние друг от друга, скажем в разные концы Вселенной, и измерить спин первого фотона, то второй поменяет свой спин на противоположный мгновенно. Скорость получения информации вторым фотоном об изменении спина первого превысит скорость света в сотни тысяч раз!

Ирландский физик Джон Белл додумался до невероятно хитроумного эксперимента и смог доказать это. Научная общественность мира была ошеломлена результатами его эксперимента. В квантовой механике появилось ещё больше загадок. В 2008 году группа швейцарских исследователей из Женевского университета смогла измерить кратность превышения скорости света фотонами с квантовой запутанностью, когда они «узнают» об изменении спина своей пары. Имея специальную технологию, им удалось это сделать, информация об изменении спина одного из пары доходит до другого в сто тысяч раз быстрее скорости света….