Антро́пный при́нцип

 

 

  Явление интерференции само по себе, безусловно, удивительно! Обратите внимание, на экране есть точки, в которые в случае одного открытого отверстия фотоны долетали, а после открытия двух отверстий долетать перестали. Как-то это странно выглядит... но в конце концов, интерференция электромагнитных волн (фотонов) - это программа по физике класса для 9-го. Кажется. Поудивлялись в свое время, и будет! ;) Давайте попробуем пойти дальше.  

 

 

  В продолжение эксперимента попробуем изменить источник фотонов. Отрегулируем его таким образом, чтобы фотоны излучались не пучком, а по одному. Пусть наш источник выпускает по одному фотону в секунду. Медленно, особенно с учетом того, что значительная часть фотонов будет "промахиваться" мимо отверстий и поглощаться пластиной, но зато результаты будут интересными. Представьте себе теперь, что оба отверстия в пластине открыты. Какую картину мы увидим на экране. Отдельный фотон, выпущенный источником, будет долетать до экрана и регистрироваться раньше, чем источник выпустит следующий. Т.е. интерферировать друг с другом последовательно выпущенные фотоны не могут. Стало быть, вместо интерференционной картины мы увидим простую сумму распределений, которую так и не увидели до сих пор? Так ли?  

 

 

  Не так. Интерференционная картина останется и в этом случае! Что это означает? Вспомним, про наличие точек на экране, в которые фотоны не долетали в случае двух открытых отверстий. Сейчас ведь, картина та же, только объяснить ее труднее: представьте себе, что один отдельный фотон может долетать до определенной точки на экране, если открыто только одно из отверстий (любое из двух), и не может, если открыты оба!  

 

 

  То есть фотон, неделимая частица, всегда регистрируемая только целиком, пролетая через одно из отверстий "знает", открыто ли второе отверстие? А если отверстий больше двух? Про сколько из них должен "знать" фотон?  

 

 

  Этот эксперимент ставит в тупик! Были предприняты попытки зарегистрировать, через какое отверстие пролетает фотон, долетающий до экрана. И фотоны всегда регистрировались на выходе только одного из отверстий. Представления о целостности и неделимости фотона не пострадали. А ВОТ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ КАРТИНА - ПРОПАЛА! Т.е. если мы знаем, через какое из отверстий пролетел фотон, он ведет себя как "обычная" частица, летящая от одного из отверстий к экрану. Если не знаем - "прикидывается двумя половинками", которые летят к экрану от разных отверстий и интерферируют между собой!  

 

 

  Вообще-то, рассуждения на тему "фотон знает" или "фотон прикидывается" выглядят достаточно странно. Может быть, мы что-то не понимаем? Мы пытаемся рассуждать о фотоне как о классическом объекте ("бильярдный шарик", который должен быстренько пролезть через одно из отверстий или "прилипнуть" к пластине). И даже наши недостаточно сформированные представления о его "корпускулярно-волновой природе" (помните со школы? ;)) не помогают.   

 

 

  Разобраться со странным поведением фотона может помочь понятие ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ. Вспомним, что у микрочастиц, движущихся между актами наблюдения, нет траектории. А что же вместо траектории? ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ! :)  

 

 

  Если говорить очень приблизительно, то ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ частицы - это функция, определенная в любой точке пространства, равная в каждый момент времени вероятности обнаружить частицу в этой точке.  

 

 

  А если сказать понятнее, то можно воспользоваться метафорой "облачко"! Помните "электронное облако" у атома? Это оно же! Только фотонное! :) Фотон, вылетевший из источника, можно представить в виде расплывающегося облачка, разные участки которого имеют разную плотность. В каких-то местах облачко плотнее, в каких-то очень редкое. Где-то (например, за пару миллионов световых лет от нашего источника фотонов) его плотность нулевая.  

 

 

  Плотность облачка в какой-то точке пространства - это вероятность обнаружить там наш фотон, если произвести акт наблюдения. Почувствуйте разницу - ЭТО НЕ ВЕРОЯТНОСТЬ ТОГО, ЧТО ФОТОН ТАМ НАХОДИТСЯ, ЭТО - ВЕРОЯТНОСТЬ ЕГО ТАМ НАЙТИ, ЕСЛИ НАЧАТЬ ИСКАТЬ! Нюанс достаточно тонкий, но весьма существенный! Если принять первую формулировку, нам надо будет признать наличие траектории у микрочастицы и констатировать нашу неспособность эту траекторию узнать. Вторая же формулировка позволяет описывать частицу при помощи волновой функции - "облачка", которое становится более реальным, чем сама частица в нашем "обычном" понимании (в физике есть и более существенные основания в пользу второй формулировки).   

 

 

  Кстати, когда в 1991-м году на курсе общей физики наш преподаватель Ионкин Валерий Петрович рассказывал про квантовую механику, он не отметил этого важного нюанса. Может, не счел важным, а может быть, и у самого в голове была иная модель. В результате квантовую механику (да и вообще физику) у нас было принято списывать. А жаль! Интересная вещь, если вчитаться! ;) Все-таки, правильно мы тогда с друзьями написали вирус "имени" нашего преподавателя.  

 

 

  По мере движения частицы облачко меняет плотность в разных точках пространства. Обратите внимание - облачко не движется (хотя это слово и будет употребляться), оно просто меняет плотность (смещая в сторону движения частицы и чуть расплывая области наибольшей плотности), как бы "отслеживая" перемещение летящей классической частицы (которой, как выясняется, между наблюдениями вовсе не существует).   

 

 

  Продолжим с фотоном, вылетевшим из источника и "превратившимся в облачко". По мере того, как частица подлетает к пластине, области наибольшей плотности облачка делятся на части. Одна из плотных областей - перемещается через одно из отверстий, другая - через второе, а третья (!!!) и вообще-то наиболее плотная часть фотонного облака - промахивается мимо отверстий и "оседает на пластине". Забудем на время про эту часть, хоть это и не совсем корректно, иначе придется отвлекаться!  

 

 

  Обратите внимание еще раз - облако состоит не из частей фотона! Оно реально само по себе и лишь его плотность отражает вероятность найти целый фотон в каждой точке облачка, если произвести акт наблюдения. Точка фотонного облачка с ненулевой плотностью - это ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ФОТОН!  

 

 

  Просочившиеся через оба отверстия сразу, потенциальные фотоны, составляющие облако, интерферируют между собой, и одновременно плотная часть облака смещается к регистрирующему экрану.  

 

 

  А что происходит с облачком, в момент, когда мы регистрируем частицу? Когда скурпулезный наблюдатель с обратной стороны экрана видит вспышку на экране и отмечает у себя на бумажке координату падения фотона, что происходит с облачком? Его плотность МГНОВЕННО схлопывается в одну точку - точку регистрации фотона (ну, в очень маленькую область). Т.е. в момент регистрации фотона плотность его облака становится равной нулю во всем пространстве, кроме точки, где частица зарегистрирована. А в этой точке плотность облачка становится равной единице. Частица обнаружена. Акт наблюдения произведен.  

 

 

  Перед падением фотона на экран, за мгновение до акта наблюдения, к экрану придвигается облачко, в котором плотные области почти полностью воспроизводят интерференционную картину из нашего последнего рисунка. Какая именно точка на экране будет "выбрана" фотоном для падения - заранее неизвестно. Точка выбирается случайно. И не нами. Известно лишь, что вероятность выбора определяется плотностью фотонного облачка в момент его "оседания на экране".  

 

 

  В начале 20-го века было сломано немало копий в дебатах на тему о природе возниконовения вероятностей в квантовой механике. Серьезные ученые (Альберт Эйнштейн в их числе) подвергали сомнению наличие вероятностей, объясняя их появления неполнотой картины этого процесса, которая была в физике на тот момент. "Бог не играет в кости". Как рассудило время, в этом вопросе Эйнштейн оказался неправ. Вероятности в квантовой механике - также фундаментальное свойство нашего мира. Впрочем, это не значит, что "Бог играет в кости". Просто, в квантовой механике у объектов появляется еще одна, невидимая на макроуровне, степень свободы. Которую мы можем учитывать только вероятностно. ;)  

 

 

  Процесс "схлопывания" облачка в момент регистрации частицы чрезвычайно интересен. Он называется КОЛЛАПСОМ ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ частицы, и происходит МГНОВЕННО! Т.е. быстрее скорости света. Как бы далеко не отстояли друг от друга части облачка с ненулевой плотностью (хоть на разных концах Вселенной), они мгновенно схлопываются в точку регистрации частицы.  

 

 

  Может показаться, что здесь квантовая механика входит в противоречие с Теорией Относительности, постулирующей наличие максимальной скорости распространения взаимодействия - скорости света в вакууме. Но это не так. Коллапс волновой функции - это не распространение взаимодействия. С его помощью нельзя передавать информацию. Более того, большинство физиков не считают коллапс волновой функции физическим процессом (а лишь математической моделью) именно из-за его мгновенности.  

 

 

  КОЛЛАПС ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ - это переход от возможного к реальному. Реализация одной из возможных альтернатив развития событий, происходящая В МОМЕНТ НАБЛЮДЕНИЯ! То есть, реализация конкретного исхода наблюдения произодится именно в сам момент наблюдения (а не раньше, как может показаться из стереотипов классической "житейской физики").  

 

 

  О природе коллапса волновой функции пока ничего не известно. Существует некоторое количество гипотез о его механизмах, но, насколько мне известно, ни одна из них не проверена в должной степени экспериментом и не общепринята. И даже возможное и ожидаемое открытие в физике "Теории Всего" или "Теории Квантовой Гравитации" совсем не обязательно прольет свет на природу коллапса волновой функции.  

 

 

  Итак, современная квантовая предполагает, что на волновую функцию частицы могут влиять два процесса:  

 

 

  1. "Движение" частицы  между актами наблюдения - перетекание  плотности облачка. Этот процесс детерминирован (во что не сразу верится ;) - облако "развивается" во времени четко определенным способом - ни о каких вероятностях в этом процессе речи не идет) и полностью описывается уравнением Шредингера. Вид этого уравнения здесь не так существенен. Кто с ним работает, тому оно известно, а все желающие могут его найти практически в любом более-менее серьезном учебнике физики и получить кайф от копошения в уравнениях с частными производными и сложными операторами, рассчитывая развитие волновой функции для одного единственного фотона. ;)  

 

 

  2. Акт наблюдения - коллапс  волновой функции. Вероятности появляются  именно здесь. И обратите внимание  на существенный аспект - вероятностый характер коллапса волновой функции - это его природа. Не статистический характер (как было бы, если вероятности возникали из-за сложноучитываемого воздействия многих факторов), а именно вероятностный - исход коллапса волновой функции даже одной частицы не определен заранее, а реализуется в момент коллапса.  

 

 

  Помните, мы на время "оставили в покое" существенную часть фотонного облака, не прошедшую ни через одно из отверстий, а "осевшую на пластине". Что это значит? Эта часть облака (а значит, и все облако - волновая функция фотона) начало взаимодействовать с пластиной (на самом деле это означает что волновые функции фотона и пластины объединились в единую и более сложную волновую функцию). Начал происходить "потенциальный процесс" поглощения пластиной промазавшего мимо отверстия "потенциального фотона". Слово "потенциальный" в данном случае означает, что акта наблюдения еще не было. И попал ли фотон на экран, или промазал мимо отверстий и был поглощен пластиной, также будет определено только в момент наблюдения!  

 

 

  Т.е. наблюдатель либо увидит фотон в одной из точек на экране (и значит, в момент наблюдения волновая функция фотона коллапсировала именно в эту точку), либо не увидит его. ;) Последнее будет означать, что фотон "промахнулся" мимо отверстий в пластине. И был поглощен пластиной. В какой точке? Неизвестно! На пластине, в отличие от экрана, нет датчиков.   

 

 

  Вы понимаете, к чему я клоню? Пролетел ли фотон через отверстия или промахнулся мимо них определится только после того, как наблюдатель произведет акт наблюдения. А до тех пор ФОТОН И ПРОЛЕТЕЛ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ (ПРИЧЕМ ОБА СРАЗУ), И ПРОМАХНУЛСЯ МИМО НИХ. Одновременно. Еще раз: КОНКРЕТНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА РЕАЛИЗУЕТСЯ ТОЛЬКО В МОМЕНТ НАБЛЮДЕНИЯ, а до этого момента, все возможные исходы эксперимента просто сосуществуют.  

 

 

  Кстати, Вы еще на задались вопросом: "что такого особенного в регистрирующем частицу экране, что заставляет коллапсировать волновую функцию фотона". Экран же, каким бы он не был, состоит из тех же микрочастиц, подчиняющихся квантовым законам! Почему на экране фотон коллапсирует, а упав на пластину - нет? Ответ прост: а ничего особенного в экране нет. Волновая функция фотона коллапсирует, конечно, на экране! Но... не в момент попадания плотной части облачка на экран (такого в точности момента и не существует - облачко, все же, обладает протяженностью), а в момент, когда это замечает наблюдатель. Сознание!  

 

 

  ВО ВСЕМ ВИНОВАТ НАБЛЮДАТЕЛЬ! Впрочем, такое утверждение может быть и преждевременным. ;)  

 

 

  И и это еще не все! ;) Хотя развязка близка. Здесь подходы к психологическим аспектам только намечены. Их еще предстоит развить.  

***  

 

 

    

На самом деле, мы еще не закончили с этим экспериментом.  

 

 

  Если две микрочастицы (квантовых объекта) между актами наблюдения провзаимодействовали друг с другом, то облачка, описывающие их волновые функции, "сцепляются" и становятся связанными (на самом деле все чуть сложнее). Как в нашем случае облачко фотона из-за наличия в нем части "промазавшей мимо отверстий" сцепилось с облачком пластины, так могут сцепляться и волновые функции более сложных объектов, сложно взаимодействующих между собой. Сцепление волновых функций объединяет несколько объектов в одну квантовую систему. И акт наблюдения, произведенный по отношению к этой системе, потенциально способен повлиять на выбор того или иного исхода "как бы уже произошедшего" взаимодействия частей этой квантовой системы.  

 

 

  Если в нашем эксперименте наблюдатель так и не увидел на экране выпущенный из источника фотон, это значит фотон был поглощен пластиной. А в какой именно точке пластины - пока неизвестно! Т.е. волновая такого функция фотона в момент наблюдения коллапсировала лишь частично, исключив из списка возможных исходов эксперимента все исходы, связанные с пролетом фотона через отверстия. И оставив полную неопределенность относительно точки поглощения фотона пластиной. Акт наблюдения уменьшил количество степеней свободы квантовой системы, а облачко фотона схлопнулось лишь частично - оставив "осевшую на пластине" часть облачка (почти) без изменений.