Общие закономерности в природе

Автор ArefievPV, октября 05, 2015, 05:39:31

« назад - далее »

Игорь Антонов

Цитата: АrefievPV от июля 04, 2025, 08:17:14
Цитироватьи не исчерпывающее содержание.
Что вы подразумеваете под «исчерпывающим содержанием»? Описание сценария возникновения и эволюции всего на свете с полным раскрытием алгоритмов используемых закономерностей?

Если говорить о своём, о девичьем, то "закольцовка" как абстракция не затрагивает и не раскрывает ключевую для меня проблематику генезиса семантики и семиотики.

василий андреевич

Цитата: Игорь Антонов от июля 04, 2025, 08:24:51"закольцовка" как абстракция не затрагивает и не раскрывает ключевую для меня проблематику генезиса семантики и семиотики.
Закольцовка обретает смысл в замкнутых системах, как например, круговорот "воды в природе". Замкнутость - это условность, подразумевающая, что энергия на входе, равна энергии ни выходе. Потому насущен вопрос о обесценивании энергии на "закольцовке".
  Чуть иное дело с информацией, циркулирующей (закольцованной) на контуре источник-приемник-источник-... Например, в структурах мозга можно выделить контуры, замкнутые на самих себя, т.е. как бы принимающие сигналы, обесцененные в процессе круговорота.  И можно допустить, что именно обесценивание сигнала, является тем ощущением недостатка, который переводим, как потребность.

АrefievPV

Путешествия во времени без парадоксов возможны.
https://www.ixbt.com/live/science/puteshestviya-vo-vremeni-bez-paradoksov-vozmozhny-uchenye-obyasnili-kak-no-est-odin-vazhnyy-nyuans.html
Ученые объяснили как, но есть один важный нюанс

ЦитироватьВозможность вернуться в прошлое и что-то изменить — одна из самых волнующих идей, какие только можно вообразить. Предотвратить роковую ошибку, спасти кого-то дорогого или, может, просто подсказать самому себе выигрышные номера в лотерею. Но стоит лишь задуматься об этом всерьез, как перед нами вырастает стена логического противоречия, известного как «парадокс убитого дедушки». Суть его проста: если вы отправитесь в прошлое и помешаете встрече своих предков, вы никогда не родитесь. А раз так, то кто же тогда отправился в прошлое, чтобы всё изменить?

Этот парадокс десятилетиями был главным аргументом против самой возможности путешествий во времени, превращая их в удел научной фантастики. Однако недавнее исследование австралийских физиков Жермена Тобара и Фабио Косты, опубликованное в авторитетном журнале Classical and Quantum Gravity, предлагает на удивление элегантное решение. Их математическая модель показывает: путешествовать во времени можно, вот только Вселенная просто не позволит вам ничего «сломать».

Главная головная боль путешественника во времени

Чтобы понять всю прелесть новой теории, нужно сначала осознать глубину проблемы. Логические парадоксы — это не просто забавные головоломки; для физиков они указывают на фундаментальное противоречие в законах природы. В контексте путешествий во времени их два основных типа.

  • Парадокс непротиворечивости (убитый дедушка). Он касается любого действия, которое отменяет причину самого путешествия. Если вы помешаете своим родителям встретиться, вы исчезнете. Если вы дадите учёному лекарство от болезни, от которой он должен был умереть молодым, он может не совершить открытие, которое и вдохновило вас на путешествие.
  • Информационный парадокс (или парадокс предопределения). Что, если вы отправитесь в прошлое и научите молодого Шекспира писать «Гамлета», передав ему книгу из будущего? Тогда кто на самом деле автор пьесы? Идея просто возникает в замкнутом цикле, не имея реального источника.

Эти проблемы заставляли многих учёных считать, что-либо путешествия в прошлое невозможны в принципе, либо природа должна иметь некий «механизм цензуры», запрещающий любые действия, ведущие к парадоксу. Но второй вариант выглядел ещё более странно: получается, какая-то невидимая сила будет выбивать у вас из рук пистолет каждый раз, когда вы нацелитесь на дедушку? Это противоречит нашему представлению о свободе воли.


Локальная ограниченная область i пространства-времени с границей прошлого и будущего. Границы не содержат времяподобных фрагментов. Локальная операция в области представлена функцией fi, которая отображает входное состояние ai, содержащее физические степени свободы на прошлой границе, в выходное состояние xi, содержащее физические степени свободы на будущей границе. 2020 Class. Quantum Grav. 37 205011
Автор: Germain Tobar and Fabio Costa Источник: iopscience.iop.org

Элегантное решение: свобода в рамках сценария

Работа Тобара и Косты строится на концепции замкнутых времениподобных кривых (ЗВК), идею которых впервые высказал ещё Эйнштейн. Говоря простым языком, это гипотетический маршрут в пространстве-времени, который образует петлю, возвращаясь в собственное прошлое. Учёные показали, что события внутри такой петли могут развиваться по принципу, который они назвали «детерминированной динамикой с локальной свободой выбора».

Звучит сложно, но суть проста. Представьте, что история — это сценарий фильма с уже известным финалом.

  • Детерминизм означает, что ключевые события этого сценария (например, начало пандемии или победа в войне) изменить нельзя. Они предопределены.
  • Локальная свобода означает, что вы, как путешественник во времени, можете действовать внутри этого сценария абсолютно свободно. Вы — актёр-импровизатор.


Для моделирования взаимодействия отдельных локализованных пространственно-временных регионов с КТК можно использовать функцию процесса w. Нетривиальная зависимость входа каждого региона от выходов других регионов подразумевает, что функция процесса может возникнуть только в присутствии КТК. 2020 Class. Quantum Grav. 37 205011
Автор: Germain Tobar and Fabio Costa Источник: iopscience.iop.org

Давайте вернёмся к примеру с пандемией. Вы отправляетесь в прошлое, чтобы изолировать «нулевого пациента». Вы находите его, запираете в комнате и думаете, что спасли мир. Но Вселенная тут же «пересчитывает» события. Пока вы возитесь с одним человеком, вы случайно чихаете на медсестру, которая и становится новым разносчиком вируса. Или тот самый пациент, избежав заражения в больнице, на следующий день идёт в магазин и подхватывает вирус там.

Ваши действия свободны, но результат — глобальная пандемия — остаётся неизменным. Вселенная гармонично подстраивает события вокруг вашего вмешательства, чтобы конечный итог не противоречил исходному.

Не эффект бабочки, а лапка обезьяны

Этот вывод кардинально меняет наш взгляд на последствия путешествий во времени. Мы привыкли к идее «эффекта бабочки» — представлению о том, что малейшее изменение в прошлом (раздавленная бабочка) может привести к катастрофическим и непредсказуемым изменениям в будущем. Эта модель рисует Вселенную как чрезвычайно хрупкую систему.

Теория Тобара и Косты предлагает другую, куда более зловещую и ироничную метафору — обезьянью лапку из старого рассказа ужасов. Это магический артефакт, исполняющий желания, но самым ужасным и извращённым способом, который формально соответствует загаданному. Вы можете пожелать повышения по службе и получить его — но лишь потому, что в результате реорганизации на вас свалят все самые неблагодарные задачи, от которых отказались другие. Формально желание исполнено, но цена — ваше спокойствие и удовлетворение от работы.



Пространственная диаграмма физической реализации функции акаузального процесса. Пример — пространство-время червоточин: метрика Минковского везде, кроме восьми цилиндрических областей («устья» червоточин, представляющиеся в пространственном разрезе сферами, которые на рисунке обозначены черными кругами), которые попарно отождествлены. Временная задержка между устьями приводит к тому, что мировая линия, входящая в верхнее устье, выходит из соответствующего нижнего устья в более раннее время в координатах Минковского, образуя КТК. Непосредственно над каждым из нижних устьев находится локальная область, обозначенная i = 1, ..., 4, в которой агент может либо получить (ai = 1), либо не получить (ai = 0) бильярдный шар вдоль заданной мировой линии (на рисунке показана проекция мировых линий на временной срез, содержащий локальные области). Затем агенты могут выбрать, посылать или не посылать бильярдный шар из локального региона. Это вмешательство представлено функцией fi, а выход — xi = 1, 0. В пространстве между регионами и верхними устьями находится «компьютер бильярдного шара», который реализует функцию процесса w. Свойства функции процесса гарантируют, что для каждого выбора локальных операций существует уникальное решение о наличии или отсутствии шара в каждой точке рассматриваемых мировых линий. 2020 Class. Quantum Grav. 37 205011
Автор: Germain Tobar and Fabio Costa Источник: iopscience.iop.org

Что это значит для нас?

Конечно, работа австралийских учёных — это пока что чистая математика, а не чертёж машины времени. Она не говорит нам, как создать замкнутую времениподобную кривую, что, вероятно, потребует экзотических состояний материи и колоссальной энергии.

Но её ценность в другом. Она доказывает, что путешествия в прошлое не являются логически невозможными с точки зрения фундаментальных законов физики. Парадоксы, которые казались непреодолимой стеной, могут быть всего лишь следствием нашего неверного понимания причинно-следственных связей.

Возможно, Вселенная гораздо более устойчива и самосогласована, чем мы думали. Она не хрупкий механизм, который можно сломать неловким движением, а гибкая система, способная адаптироваться к любым возмущениям. И если человечество когда-нибудь и откроет дверь в прошлое, то обнаружит не чистое поле для исправления ошибок, а лишь возможность стать ещё одним участником пьесы, финал которой уже написан.

P.S. Немного поразмышляю вслух.

Ключевые события для сценариев разных масштабов могут быть разными – для синтеза или распада молекул это события уровня взаимодействия атомов-молекул (микрообъектов), для рождения или смерти людей это события уровня взаимодействия макрообъектов, для формирования или распада галактик это события уровня взаимодействия мегаобъектов. То есть, каждый сценарий является эдакой матрёшкой из вложенных подсценариев, и ни в какой из матрёшек нет никакой полной «свободы воли».

Если разобраться, то оказывается, что все такие микрособытия ограничивают формирование макрособытий (а те, в свою очередь, ограничивают формирование мегасобытий), и у путешественника во времени даже внутри его сценария нет никакой «свободы воли».

Получается, что каждый вариант Вселенной «запетлёван» буквально на всех уровнях (то есть, он строго детерминирован), и попытки путешествия во времени приведут к попаданию не в собственное прошлое, а к попаданию в альтернативное прошлое (в прошлое другого варианта Вселенной).

Все эти парадоксы «с убийствами своего дедушки» являются мнимыми – убить можно только «чужого» дедушку (и такового путешественника во времени в данном варианте Вселенной попросту не появится) и начать существовать уже в другой версии Вселенной, а «свой» дедушка путешественника во времени останется в прежнем варианте Вселенной (правда, его внук исчез из этого варианта Вселенной). У путешественника во времени просто не будет прошлого в данном варианте Вселенной (типа, человека из ниоткуда).

Путешественник во времени путешествует не по времени в своём варианте Вселенной, а просто переходит в другие варианты Вселенной, в которых он возникает тоже строго детерминированно (типа, он не может там не возникнуть, ведь он там есть, и сценарий с его участием уже «прописан»). Вернуться именно в «своё» прошлое или попасть именно в «своё» будущее невозможно, можно попасть только в «чужое»   прошлое или будущее.

Получается, что все варианты Вселенной могут оказаться связанными подобным образом в некую единую многомерную сеть (и это, кстати, на квантовом уровне, возможно, постоянно и происходит), в которой есть любые (даже самые фантастические) варианты. Такая сеть нивелирует отсутствие свободы воли (свободы выбора) не только на философском уровне, но и на уровне физики – всё жестко детерминировано, но зато есть любой вариант. Свобода воли (свобода выбора), это иллюзия.

Не удивлюсь, что и на квантовом уровне нет ничего похожего на свободу выбора – всё жёстко предопределено, но так как всё связано со всем (и всё является причиной всего), и буквально все варианты в наличии, то таковую предопределённость (и причинно-следственные связи) невозможно выявить.

АrefievPV

#3633
Что квантовая механика говорит о природе реальности? Физики сильно расходятся во мнениях
https://habr.com/ru/articles/938616/
Первая серьёзная попытка составить карту взглядов исследователей вскрыла конфликт интерпретаций

ЦитироватьКвантовая механика — одна из самых успешных теорий в науке, благодаря которой во многом стала возможной современная жизнь. Технологии — от компьютерных чипов до медицинских аппаратов — основаны на применении уравнений, впервые сформулированных столетие назад и описывающих поведение объектов на микроскопических масштабах.

Но исследователи до сих пор расходятся во мнениях о том, как лучше всего описать физическую реальность, которая скрывается за математикой, как показывает исследование Nature.

На мероприятии, посвящённом 100-летию квантовой механики, в июне 2025 году прославленные специалисты по квантовой физике вежливо, но активно спорили по этому вопросу. «Квантового мира не существует», — заявил физик Антон Цайлингер из Венского университета, изложив своё мнение о том, что квантовые состояния существуют только в его голове и что они описывают информацию, а не реальность. «Я не согласен», — ответил Ален Аспект, физик из Университета Париж-Сакле, который в 2022 году разделил Нобелевскую премию с Цайлингером за работу по квантовым явлениям.

Чтобы получить представление о том, как широкое сообщество интерпретирует квантовую физику в год её столетия, Nature провёл крупнейший в истории опрос на эту тему. Мы разослали электронные письма более чем 15 000 исследователей, чьи последние работы касались квантовой механики, а также пригласили принять участие в опросе участников встречи, посвящённой столетию этой науки, которая проходила на немецком острове Гелиголанд.

Ответы — а их было более 1100, в основном от физиков — показали, насколько сильно различаются исследователи в понимании самых фундаментальных особенностей квантовых экспериментов.



Как и в случае с Аспектом и Цайлингер, респонденты кардинально разошлись во мнениях о том, представляет ли собой волновая функция (математическое описание квантового состояния объекта) — нечто реальное (36%) или является просто полезным инструментом (47%) или тем, что описывает субъективные представления о результатах эксперимента (8%). Это говорит о том, что существует значительный разрыв между исследователями, придерживающимися «реалистических» взглядов, которые проецируют уравнения на реальный мир, и теми, кто придерживается «эпистемических» взглядов, которые утверждают, что квантовая физика работает только с информацией.



Мнения респондентов разделились и по вопросу о том, существует ли граница между квантовым и классическим миром (45% респондентов ответили «да», 45% — «нет» и 10% не уверены). Некоторых смутила постановка наших вопросов, и более 100 респондентов дали свои собственные интерпретации (опрос, методология и анонимизированная версия полных данных доступны по ссылкам).



«Мне кажется удивительным, что люди, хорошо разбирающиеся в квантовой теории, могут иметь совершенно противоположные взгляды», — говорит Джемма де ле Ковес, физик-теоретик из Университета Помпеу Фабра в Барселоне (Испания).

Nature спросил исследователей, какая, по их мнению, интерпретация квантовых явлений и взаимодействий наилучшая — то есть, попросили рассказать о предпочтениях, основанных на различных попытках учёных связать математическую теорию с реальным миром. Наибольшее количество ответов, 36%, было дано в пользу копенгагенской интерпретации — практического и часто преподаваемого подхода. Но опрос также показал, что некоторые, более радикальные, точки зрения имеют значительное количество приверженцев.

На вопрос о том, насколько они уверены в своём ответе, только 24% респондентов считают свою любимую интерпретацию правильной; остальные считают её просто адекватной или полезным инструментом в некоторых обстоятельствах. Более того, некоторые учёные, казалось бы, бывшие в одном лагере, не дали одинаковых ответов на последующие вопросы, что говорит о непоследовательности или разном понимании выбранной ими интерпретации.

«Для меня это было большой неожиданностью», — говорит Ренато Реннер, физик-теоретик из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе. По его словам, это означает, что многие исследователи квантовых технологий просто используют квантовую теорию, не вникая в её смысл, — подход «заткнись и вычисляй» [shut up and calculate], если использовать фразу, придуманную американским физиком Дэвидом Мермином. Но Реннер, работающий над основами квантовой механики, сразу же уточняет, что нет ничего плохого в том, чтобы просто делать расчёты. «У нас не было бы квантового компьютера, если бы все были такими, как я», — говорит он.

Копенгаген всё ещё на коне

За последнее столетие исследователи предложили множество способов интерпретации реальности, лежащей в основе математики квантовой механики, которая, казалось бы, должна порождать парадоксы. В квантовой теории поведение объекта характеризуется его волновой функцией — математическим выражением, рассчитанным с помощью уравнения, разработанного немецким физиком Эрвином Шрёдингером в 1926 году. Волновая функция описывает квантовое состояние и его эволюцию как облако вероятностей. Пока частица остаётся ненаблюдаемой, она распространяется подобно волне, интерферирует с собой и другими частицами, существуя в «суперпозиции» состояний, как бы находясь во многих местах или имея несколько значений какого-либо атрибута одновременно. Но наблюдение за свойствами частицы — измерение — превращает это туманное существование в единое состояние с определёнными значениями. Это иногда называют «коллапсом» волновой функции.

Дальше — ещё страннее: перевод двух частиц в состояние совместной суперпозиции может привести к запутыванию, что означает, что их квантовые состояния остаются взаимосвязанными, даже когда частицы находятся на большом расстоянии друг от друга.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг, который в 1925 году помог создать математическую основу квантовой механики, и его наставник, датский физик Нильс Бор, обошли чуждый им дуализм волны и частицы, признав, что классические способы понимания мира ограничены, и что люди могут знать только то, что им говорят наблюдения. Для Бора не было ничего страшного в том, что объект меняет своё поведение, переходя от частицы к волне, потому что это были концепции, заимствованные из классической физики, которые можно было раскрыть только по очереди, с помощью эксперимента. Экспериментатор жил в мире классической физики и был отделён от квантовой системы, которую он измерял.

Гейзенберг и Бор не только придерживались мнения, что невозможно говорить о местоположении объекта, пока он не будет наблюдаться в эксперименте, но и утверждали, что свойства ненаблюдаемой частицы действительно принципиально не определены до измерения – в отличие от интерпретации, в которой они изначально определены, но неизвестны экспериментаторам. Эта картина, как известно, обеспокоила Эйнштейна, который упорно продолжал считать, что реальность уже существует, а задача науки – её измерять.

Спустя десятилетия объединение не всегда совпадавших взглядов Гейзенберга и Бора стало известно как копенгагенская интерпретация, по названию университета, в котором дуэт выполнил свою фундаментальную работу. Эти взгляды остаются самым популярным видением квантовой механики сегодня, согласно опросу Nature. По мнению Часлава Брюкнера, квантового физика из Венского университета, сильные позиции этой интерпретации «отражают её неизменную полезность в руководстве повседневной квантовой практикой». Почти половина физиков-экспериментаторов, принявших участие в опросе, высказались за эту интерпретацию, по сравнению с 33% теоретиков. «Это самое простое объяснение, что у нас есть», — говорит Децио Краузе, философ из Федерального университета Рио-де-Жанейро (Бразилия), изучающий основы физики и участвовавший в опросе. По его словам, несмотря на свои проблемы, альтернативы «обладают другими проблемами, которые, на мой взгляд, ещё хуже».

Однако другие специалисты утверждают, что копенгагенская теория стала теорией по умолчанию из-за исторической случайности, а не её достоинств. Критики говорят, что она позволяет физикам игнорировать более глубокие вопросы.

Одна из них касается «проблемы измерения»: как измерение приводит к тому, что объекты переходят из квантовых состояний, описывающих вероятности, к свойствам, присущим классическому миру.

Другая неясная особенность — представляет ли волновая функция нечто реальное (этот ответ выбрали 29% сторонников копенгагенской интерпретации) или просто информацию о вероятностях обнаружения различных значений при измерении (этот ответ выбрали 63% участников этой группы). «Я разочарована, но не удивлена популярностью копенгагенской интерпретации», — говорит Элиза Крулл, философ физики из Городского университета Нью-Йорка. «Мне кажется, что физики не размышляли над этим вопросом достаточно глубоко».

Философские основы копенгагенской интерпретации стали настолько привычными, что уже не кажутся интерпретацией, добавляет Роберт Спеккенс, изучающий квантовые основы в Институте теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада. По его словам, многие сторонники «просто употребляют копенгагенскую философию как фастфуд, не разбираясь в составе».

Респонденты, которые занимались исследованиями в области философии или квантовых основ, изучая предположения и принципы, лежащие в основе квантовой физики, реже всего отдавали предпочтение копенгагенской интерпретации — всего 20%. «Если я использую квантовую механику в своей лаборатории каждый день, мне не нужно выходить за пределы Копенгагена», — говорит Карло Ровелли, физик-теоретик из Университета Экс-Марсель во Франции. Но как только исследователи начинают проводить мысленные эксперименты, которые проникают глубже, «Копенгагена становится недостаточно», — говорит он.

Какие есть ещё варианты?

В годы после Второй мировой войны и создания атомной бомбы физики начали использовать возможности квантовой механики, а правительство США вливало в эту область деньги. Философские исследования отошли на второй план. Копенгагенская интерпретация стала доминировать в мейнстриме физики, но все же некоторые физики сочли её неудовлетворительной и предложили альтернативные варианты.

Квантовая механика: Пять интерпретаций

Вот пять достаточно широких подходов к интерпретации квантовой механики — и как они решают проблему квантовых измерений.

В квантовой теории ненаблюдаемую систему можно описать как находящуюся в суперпозиции нескольких возможных состояний одновременно, например, в разных местах. Её квантовое состояние задаётся волновой функцией, которая изменяется в соответствии с уравнением Шрёдингера гладким и предсказуемым образом. Но при взаимодействии с измерительным оборудованием система приобретает вполне определённое состояние, заранее неизвестное. Её волновая функция «схлопывается», как говорят некоторые. Как это понять?

Этот парадокс демонстрирует мысленный эксперимент «кот Шрёдингера». Разобьётся или нет капсула с ядом, который может убить кота, сидящего в коробке, зависит от испускаемого частицей излучения — случайного квантового события. Пока коробка не открыта, кота можно описать как суперпозицию живого и мёртвого; когда же мы заглянем внутрь коробки, то найдём его в одном из двух состояний.

1. Копенгагенская интерпретация

Согласно этой точке зрения, наблюдатель и его классический мир отличаются от квантовых систем, с которыми они могут взаимодействовать. Частица обладает свойствами только тогда, когда её измеряет наблюдатель; они не предопределены.



Плюсы: Практичность — хорошо описывает экспериментальные наблюдения.

Минусы: Не позволяет точно объяснить, что такое измерение и как оно вызывает изменение между квантовым и классическим мирами, или почему волновая функция должна предсказывать результаты эксперимента.

Как она решает проблему «кота Шрёдингера»: Измерение просто приводит квантовый объект в определённое состояние: такое объяснение не всем кажется удовлетворительным. Некоторые современные копенгагенские интерпретации используют эпистемический подход (см. далее), и поэтому не видят в этом никакой загадки.

На практике было бы чрезвычайно трудно изолировать квантовое состояние объекта размером с кота от состояния его шумного окружения; его состояние можно было бы определить как живое или мёртвое ещё до измерения.

2. Эпистемические подходы

Квантовые состояния представляют собой только информацию; они кодируют вероятности получения различных результатов при измерении. Примером может служить реляционная квантовая механика, в которой квантовые состояния системы могут быть определены только по отношению к другой конкретной системе. Другой пример – кьюбизм или квантовый байесианизм, в котором квантовые состояния всегда определяются с точки зрения конкретного наблюдателя или «агента».



Плюсы: Объясняет парадоксы мысленных экспериментов, в которых разные наблюдатели квантовой системы получают разные результаты. Позволяет считать запутанность (когда квантовые состояния двух частиц становятся неразделимыми, так что измерения их свойств коррелируют даже на больших расстояниях) чем-то нефизическим, что позволяет избежать необходимости во взаимодействиях быстрее света, которые противоречат теории относительности.

Минусы: Реальность не получится рассматривать с объективной точки зрения; некоторые формы этих теорий вообще отказываются от возможности описать внешнюю реальность.

Как она решает проблему «кота Шрёдингера»: Волновая функция рассматривается как исключительно математический инструмент; её коллапс не является физическим процессом, поэтому парадокса, связанного с реальностью, не возникает.

3. Множество миров

Волновая функция описывает нечто, соответствующее физической реальности. Когда наблюдатель производит измерение, он получает результат со своей точки зрения в одном мире; но на самом деле волновая функция никогда не коллапсирует. Вместо этого волновая функция разветвляется на множество вселенных, каждая из которых описывает различные результаты измерений.



Плюсы: Устраняет проблему измерения. Объясняет результаты измерений запутанных частиц тем, что каждая комбинация связанных результатов существует в другом мире, а не требует физического воздействия для перемещения в пространстве-времени.

Минусы: Позволяет создать огромное количество реальностей. Неясно, может ли она объяснить нашу способность предсказывать тот факт, что некоторые исходы более вероятны, чем другие.

Как она решает проблему «кота Шрёдингера»: В каждой разветвлённой вселенной есть копия наблюдателя, который видит определённый результат измерения, при этом «живые» и «мёртвые» возможности существуют в отдельных мирах.

4. Бомовская

Точечные частицы движутся по определённым траекториям, а их свойства имеют определённые значения. Волновая функция также описывает физическую реальность, служа волной-пилотом, которая направляет частицы. Полное состояние частицы, описываемое её положением, а также её волной, никогда нельзя узнать полностью; оно частично скрыто.



Плюсы: Указывает на то, что природа не является случайной по своей природе; свойства с определёнными значениями существуют до измерения.

Минусы: Для объяснения запутанности взаимодействия через волну-пилота происходит мгновенно. Если эти эффекты происходят быстрее скорости света, бомовскую механику становится трудно согласовать со специальной теорией относительности Эйнштейна.

Как она решает проблему «кота Шрёдингера»: Волновая функция является лишь частью системы: пилотные волны действуют как проводники для кота, у которого есть определённое (скрытое) состояние. Этот предопределённый результат выявляется при измерении.

5. Спонтанный коллапс

Интерпретирует квантовую механику как приближение к другой теории, в которой уравнение Шрёдингера модифицируется таким образом, что волновая функция коллапсирует сама по себе, без необходимости её измерения.



Плюсы: Решает проблему измерений.

Минусы: До сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств модификации уравнения Шрёдингера. Как и другие теории, предполагающие мгновенный физический коллапс, её трудно совместить со специальной теорией относительности.

Как она решает проблему «кота Шрёдингера»: Когда мы наблюдаем состояние кота, его квантовое состояние становится запутанным с измерительным оборудованием (здесь — камерой). Любая большая коллекция квантовых объектов, подобная этой, неизбежно коллапсирует к определённому состоянию, согласно изменённому уравнению Шрёдингера.

На практике квантовое состояние объекта размером с кота было бы крайне сложно отделить от состояния его шумного окружения; его состояние было бы определено как живое или мёртвое ещё до измерения.

В 1952 году американский физик Дэвид Бом воскресил идею, впервые высказанную в 1927 году французским физиком Луи де Бройлем, а именно: странная двойственная природа квантовых объектов имеет смысл, если они являются точечными частицами с траекториями, определяемыми «пилотными» волнами. Преимущество «бомовской» механики заключалось в том, что она объясняла эффекты интерференции и одновременно восстанавливала детерминизм — идею о том, что свойства частиц имеют заданные значения до их измерения. По результатам опроса, проведённого журналом Nature, 7% респондентов сочли эту интерпретацию наиболее убедительной.

Затем, в 1957 году, американский физик Хью Эверетт предложил более странную альтернативу, за которую высказались 15% респондентов. Интерпретация Эверетта, позже получившая название «многомировой», гласит, что волновая функция соответствует чему-то реальному. То есть частица действительно находится, в некотором смысле, в нескольких местах одновременно. С точки зрения наблюдателя, измеряющего частицу в одном мире, он увидит только один результат, но на самом деле волновая функция никогда не коллапсирует. Вместо этого она разветвляется на множество вселенных, по одной на каждый исход. «Это требует кардинальной корректировки наших представлений о мире, но, на мой взгляд, именно этого и следует ожидать от фундаментальной теории реальности», — говорит Шон Кэрролл, физик и философ из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, который участвовал в опросе.

В конце 1980-х годов теории «спонтанного коллапса» попытались решить такие проблемы, как проблема квантовых измерений. В этих версиях уравнение Шрёдингера настраивается таким образом, что для коллапса не требуется наблюдатель или измерение, а волновая функция иногда коллапсирует сама по себе. В некоторых из этих моделей объединение квантовых объектов усиливает вероятность коллапса, то есть приведение частицы в суперпозицию с помощью измерительного оборудования делает потерю объединённого квантового состояния неизбежной. Около 4% респондентов выбрали именно такие теории.

Опрос Nature предполагает, что «эпистемические» описания, в которых говорится, что квантовая механика открывает лишь знания о мире, а не отражает его физическую реальность, возможно, набирают популярность. Опрос 149 физиков, проведённый в 2016 году, показал, что только около 7% выбрали интерпретации, связанные с эпистемическим подходом, по сравнению с 17% в нашем опросе (хотя точные категории и методология опросов различаются). Некоторые из этих теорий, основанные на оригинальной копенгагенской интерпретации, возникли в начале 2000-х годов, когда такие приложения, как квантовые вычисления и коммуникации, стали рассматривать эксперименты в терминах информации. Приверженцы этой теории, такие как Цайлингер, рассматривают волновую функцию лишь как инструмент для предсказания результатов измерений, не имеющий никакого отношения к реальному миру.

Эпистемическая точка зрения привлекательна тем, что она наиболее осторожна, говорит Ладина Хаусманн, физик-теоретик из ETH, участвовавшая в опросе. «Она не требует от меня предположений, выходящих за рамки того, как мы используем квантовое состояние на практике», — говорит она.

Одна из эпистемических интерпретаций, известная как кьюбизм (которую несколько респондентов, выбравших «другое», записали как предпочтительную), доводит это до крайности, утверждая, что наблюдения, сделанные конкретным «агентом», являются полностью личными и действительными только для него. Аналогичная «реляционная квантовая механика», впервые изложенная Ровелли в 1996 году (её выбрали 4% респондентов), утверждает, что квантовые состояния всегда описывают только отношения между системами, а не сами системы.



Когда исследователям задавали уточняющие вопросы о том, как следует относиться к тем или иным аспектам квантовой механики, их мнения резко расходились, чего и следовало ожидать от разнообразия общих интерпретаций, которым они отдавали предпочтение.

Один из вопросов, вызвавших смесь ответов, касается одного из самых странных аспектов квантовой механики: результаты наблюдений за запутанными частицами коррелируют, даже если частицы удалены друг от друга на тысячи километров. Этот потенциал связи на расстоянии называется нелокальностью. Эта связь не позволяет передавать информацию быстрее света. Но вопрос о том, представляет ли она собой реальное и мгновенное влияние в пространстве-времени, когда измерение одной частицы мгновенно изменяет её запутанного партнёра и влияет на результаты будущих измерений, вызвал разногласия у респондентов.

В ходе опроса 39% респондентов заявили, что считают такое «действие на расстоянии» реальным. Остальные либо не уверены, либо не согласны по разным причинам. Если бы респонденты, ответившие «да», подразумевали, что физическое воздействие распространяется быстрее света, это противоречило бы специальной теории относительности Эйнштейна, говорит Фламиниа Джакомини, физик-теоретик из ETH. «Это должно беспокоить каждого серьёзного физика», — добавляет Реннер. «Я в недоумении».

Однако некоторые респонденты, например те, кто придерживается эпистемических взглядов, могли ответить «да», но интерпретировать мгновенное влияние как просто мгновенное изменение информации, а не физический эффект, говорит Джакомини.

Nature также задал вопрос об эксперименте с «двойной щелью», в котором электроны направляются на экран с двумя щелями. На другой стороне экрана детектор показывает картину, которая соответствует волнообразным частицам, проходящим через обе щели и интерферирующим между собой. (Если исследователи наблюдают электрон по пути, например, прикладывают детектор к одной из щелей, картина меняется, свидетельствуя о том, что частица прошла только через одну).

На вопрос о том, проходит ли ненаблюдаемый электрон через обе щели, 31% ответивших согласились, что согласуется с интерпретацией многих миров, но, как следует из опроса, это также взгляд на реальность, которого придерживаются многие последователи спонтанного коллапса и копенгагенского подхода. Однако 14% ответили, что это не так, что соответствует бомовско-механическому представлению об определённых траекториях электронов, а 48% сказали, что вопрос не имеет смысла — ответ, который дали большинство приверженцев эпистемического и копенгагенского подходов.



Выход из тупика

Как можно так сильно расходиться во взглядах на мир, который описывает квантовая теория, если все физики делают одни и те же расчёты? Помимо того, что опрос Nature выявил разное отношение экспериментаторов и теоретиков — а также тенденцию людей, изучающих квантовые основы, избегать копенгагенской интерпретации, — мнения, судя по всему, не коррелируют с другими факторами. Одним из таких факторов является пол (только 8% респондентов назвали себя женщинами, что, хотя и мало, согласуется с данными, полученными ранее в этом году, согласно которым только 8% старших авторов статей в Nature Physics были женщинами). Место работы и вероисповедание также не оказали существенного влияния (хотя на последний вопрос ответило слишком мало респондентов, чтобы результат можно было считать окончательным). Ближе всего к консенсусу респонденты подошли в том, что попытки интерпретировать математику квантовой механики физическим или интуитивным способом ценны — с этим согласились 86%.

Три четверти респондентов также считают, что квантовая теория в будущем будет заменена более полной теорией, хотя большинство также полагает, что её элементы сохранятся. Несмотря на то, что квантовая механика является одной из самых экспериментально подтверждённых теорий в истории, её математика не может описать гравитацию, которая объясняется как искривление пространства-времени общей теорией относительности. Это наводит многих исследователей на мысль, что квантовая физика может быть неполной.

Исследователи, работающие над квантовыми основами, говорят, что выбор интерпретации сводится к выбору между жертвами, которые влечёт за собой каждая из них. Принять множество миров — значит признать, что существует непостижимое количество вселенных, в которые мы, вероятно, никогда не сможем попасть. Быть кьюбистом означает признать, что квантовая теория не может описать единую реальность для всех наблюдателей (хотя в этом случае не обязательно отрицать существование общей для всех реальности). Цена, которую кто-то готов заплатить, зависит не только от физического образования, но и от личных качеств, говорит Реннер. «Это очень глубоко эмоциональная вещь», — говорит он. Почти половина респондентов, принявших участие в опросе Nature, заявили, что на физических факультетах не уделяется достаточного внимания квантовым основам (и только 5% сказали, что «слишком много»).

Все интерпретации, в общем, предсказывают одни и те же результаты. Но это не значит, что нельзя найти способы их различать. Предложение британского физика Джона Белла, выдвинутое в 1960-х годах, уже ограничило квантовую физику. Его мысленные эксперименты, реализованные с тех пор во многих форматах, используют измерения запутанных частиц, чтобы доказать, что квантовая физика не может быть одновременно реалистичной и локальной. Реализм означает, что частицы обладают свойствами, которые существуют независимо от того, измеряются они или нет, а локальность означает, что на объекты влияет только их непосредственное окружение, а не далёкое и не связанное.

Продолжают появляться и новые способы исследования квантовых интерпретаций. Например, в прошлом месяце физики, изучающие явление квантового туннелирования, при котором частицы проникают сквозь барьеры, которые классически невозможно преодолеть, утверждали, что измеренная скорость этого процесса не согласуется с предсказаниями теории волны-пилота Бома. Около 58% респондентов, принявших участие в опросе Nature, считают, что результаты экспериментов помогут определиться между жизнеспособными подходами. Некоторые респонденты упомянули о попытках масштабировать суперпозиции до биологических систем. Другие говорили об исследовании взаимодействия между квантовой физикой и гравитацией.

Некоторые физики считают, что использование суперпозиции в квантовых компьютерах позволит больше узнать о подобных явлениях. В 2024 году Хартмут Невен, основатель Google Quantum AI в Санта-Барбаре (Калифорния), анонсировал квантовый чип Willow, заявив, что его способность выполнять вычисления, которые заняли бы больше времени, чем возраст Вселенной на самом быстром классическом компьютере, «подтверждает идею о том, что квантовые вычисления происходят во многих параллельных вселенных». Он ссылался на расширение теории множества миров, сделанное в 1997 году Дэвидом Дойчем, физиком из Оксфордского университета (Великобритания).

Согласие с единой интерпретацией может стать поводом для выработки совершенно нового подхода. «Когда мы найдём правильную интерпретацию, она заявит о себе благодаря тому, что будет более последовательной, чем все предыдущие», — говорит Спеккенс. «Я думаю, мы должны стремиться к этому».

Является ли нынешнее положение дел проблемой или нет, зависит от того, кого вы спросите. «Просто стыдно, что у нас нет истории, которую мы могли бы рассказать людям о том, что такое реальность», — заключает Карлтон Кейвс, физик-теоретик из Университета Нью-Мексико в Альбукерке и модератор дискуссии о фундаментах на встрече в Гелиголанде.

Крулл с этим не согласна. По её словам, люди серьёзно относятся к вопросу интерпретаций, «и это не приводит к хаосу и не вызывает смущения. Это ведёт к прогрессу, к творчеству. В этом есть своё удовольствие».

АrefievPV

Российские физики «заморозили» холодное тело за счет более горячих соседей
https://naked-science.ru/article/column/zamorozili-holodnoe-telo
Коллектив российских физиков из МФТИ, Института теоретической и прикладной электродинамики РАН и ВНИИА имени Н.Л. Духова теоретически доказал и смоделировал удивительное явление: временное охлаждение самого холодного объекта в сложной квантовой системе без использования внешнего холодильника, за счет передачи его тепла более горячим объектам. Этот парадоксальный процесс не нарушает второе начало термодинамики, но бросает вызов нашему интуитивному пониманию тепловых потоков.

Цитировать
Динамика a) температур и b) химических потенциалов двух резервуаров / © И.В. Вовчено и др., Physical Review A

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review A. Одно из самых незыблемых правил нашего мира — второе начало термодинамики. Оно гласит, что тепло самопроизвольно перетекает только в одном направлении: от горячего тела к холодному. Именно поэтому остывает чашка с кофе, а не наоборот, и именно этот закон определяет «стрелу времени». Однако в квантовом мире, на уровне отдельных атомов и электронов, привычные правила начинают работать иначе. Здесь в игру вступают не только температуры, но и другие, чисто квантовые, параметры, способные привести к совершенно не интуитивным эффектам.

Рассмотрим так называемую открытую квантовую систему — небольшой объект, который взаимодействует с несколькими крупными внешними средами, или «резервуарами». Можно представить себе крошечный процессор, подключенный одновременно к нескольким источникам питания и радиаторам. Каждый из этих резервуаров обладает своей температурой и, что не менее важно, своим химическим потенциалом. Химический потенциал — это своего рода термодинамический аналог электрического напряжения или давления воды: он характеризует стремление частиц (например, электронов) перетекать из одной области в другую.

В терминах этих потоков также можно сформулировать второе начало термодинамики в форме неравенства Клаузиуса. Оно накладывает строгие ограничения на все возможные процессы в системе. Считается, что для простой системы из двух резервуаров — горячего и холодного — это неравенство однозначно запрещает передачу тепла «вверх по течению», от холодного к горячему.

Российские ученые решили заглянуть за кулисы этого фундаментального запрета, а также выяснить, какие возможности скрываются в более сложных системах, состоящих из трех и более резервуаров. Они поставили перед собой вопрос: может ли тепловой поток от самого холодного резервуара к самому горячему все-таки существовать, если другие резервуары будут определенным образом компенсировать этот «неправильный» процесс?

Используя аппарат теории открытых квантовых систем и уравнения Линдблада, описывающие динамику таких систем, физики построили математическую модель, в которой центральная квантовая система была связана с несколькими фермионными резервуарами. Эта модель позволила им получить точные аналитические выражения для потоков энергии и частиц между резервуарами.

В результате моделирования ученые продемонстрировали режим, в котором самый холодный резервуар в системе действительно начинает отдавать тепло и на время становится еще холоднее, а горячий резервуар, в свою очередь, нагревается.

Изначально самый холодный резервуар временно охлаждается почти вдвое, передавая свою энергию более горячим объектам. Затем, по мере того как система перестраивает свои внутренние потоки, он начинает нагреваться и в итоге приходит к общему равновесию вместе со всеми остальными.

Примечательно, что конечная равновесная температура всей системы оказывается выше, чем любая из начальных температур резервуаров, так как в установление равновесия внесли вклад не только температуры, но и химические потенциалы резервуаров.

Этот режим, реализующийся за счет настройки собственных мод открытой квантовой системы, на первый взгляд, нарушает второе начало термодинамики. Однако российские ученые показали, что использование корректного определения потоков тепла в квантовых системах, которое учитывает влияние разности химических потенциалов резервуаров, позволяет этого избежать.

Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики имени Л. Д. Ландау МФТИ, прокомментировал: «Классическая интуиция говорит нам, что тепло всегда течет от горячего к холодному. Но в квантовом мире, когда у вас есть несколько систем с разными температурами и, что ключевое, разными химическими потенциалами, картина усложняется. Наша работа показывает, что система может провернуть хитрый трюк: она как бы «занимает» энергию у потока частиц, управляемого разностью химических потенциалов, чтобы на время запустить «неправильный» поток тепла — от холодного тела к горячему. Это временное нарушение привычного порядка, которое в конечном итоге приводит систему к полному равновесию, но сам путь к этому равновесию оказывается нелинейным и полным сюрпризов».