Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики. (Роджер Пенроуз, 2003г. Глава 6, “Квантовая магия и квантовое таинство”). Часть 1.
При чтении данной главы книги нам хотелось бы понять, как объективная реальность связана с реально существующими квантами и фотонами. То есть желательно видеть не магию и таинство, а видеть квант или фотон и видеть, как эти объекты взаимодействуют между собой и с веществом.
В разделе “Нужна ли философам квантовая теория?” читаем:
“У многих термин “квантовая механика” вызывает лишь смутные ассоциации “принципом неопределенности”, который говорит о невозможности точного описания системы на уровне частиц, атомов или молекул, позволяя использовать здесь лишь вероятностный подход. Как мы увидим в дальнейшем, квантовое описание является точным, хотя и радикально отличающимся от классического. Кроме того, мы обнаружим, что несмотря на общепринятое убеждение, вероятности не возникают на микроскопическом уровне (движение частиц, молекул и атомов происходит детерминистично), а появляются в результате некоторого загадочного крупномасштабного действия, ответственного за существование классического мира, доступного нашим ощущениям. Мы должны попытаться понять это и выяснить, как квантовая теория изменяет наши взгляды на физическую реальность”. (Стр. 187).
Это удивительное до странности заявление Роджера Пенроуза. Описание с одной стороны является точным и в то же время вероятности в описываемые явления вводятся, хотя и не самими явлениями, а какими-то загадочными действиями. Как это можно представить? Точно описываем детерминистическое движение электрона в атоме, и вдруг вмешивается какая-то крупномасштабная сила и нарушает детерминистичность.
Конечно, “принцип неопределенности” вносит в головы людей некую сумятицу, но это потому, что он на микроуровне мало нагляден. А давайте перенесемся в супер макромир. Пусть некий великан попробует измерить параметры нашей Земли. Будем считать, что он измеряет размер Земли своим штангельциркулем. Он сразу столкнется с массой проблем. Во-первых, ее надо поймать, она движется вокруг Солнца. Следует либо производить мгновенные измерения, либо запустить измерительный инструмент рядом с Землей. Во-вторых, она вертится как юла и она не идеальный шар. Множество измерений даст множество результатов. А потом что он измерит – керн, т.е. твердь? А атмосфера, а магнитное поле, а гравитационная структура? Они какое место займут в режиме измерения? Это все элементы Земли. Если этот гигант попытается измерить Землю с учетом выше указанных элементов, то он столкнется с вихревыми явлениями, то есть с вероятностью и неопределенностью. А на тот же электрон мы смотрим также как гигант на Землю. Вокруг электрона электрическое и магнитное поля. Я предполагаю, что электрон это сконденсированная электромагнитная волна в виде бегущей волны, которая при излучении разворачивается в куски бегущей волны в виде фотонов. Спин электрона это результат движения в волне электрических и магнитных вихрей. В электроне упаковка волны происходит так, что сверху преобладают электрические отрицательные вихри, а в позитроне – электрические положительные вихри. Эти вихри бурлят, создавая неопределенность. Естественно и внешние условия деформируют это поле. Ядро образует деформации в виде “приливов и отливов” поля. Может быть, Пенроуз имел в виду эти таинственные действия, тогда верно.
Несомненно, что любая, хоть истинная хоть ложная, теория меняет взгляды определенного контингента на объективную реальность. Для нас важно чтобы теория была истинной и прилагалась к соответствующей объективной реальности. Действительно, мало проку применять квантовую или молекулярную теорию к бухгалтерскому учету.
Дальше повествуется, где эта квантовая теория будет применяться:
“Само существование твердых тел, упругость и другие свойства материалов, химические свойства, цвет вещества, явления замерзания и кипения, устойчивость наследственности – эти и многие другие знакомые нам явления невозможно объяснить без привлечения квантовой теории. Возможно, что и феномен сознания есть нечто, что нельзя объяснить в рамках классических представлений. Не исключено, что наш разум есть не просто элемент в игре так называемых “объектов” классической структуры, а скорее представляет качество, сущность которого коренится в необычных и удивительных особенностях физических законов, управляющих нашим миром”. (стр. 187).
Я, как заинтересованное лицо, буду, страница за страницей, изучаемой книги, следить, как вышеперечисленные явления и, возможно, другие, Пенроуз будет объяснять на основе квантовой теории. Жаль, что в этот список не попадает феномен сознания, ну так, может быть, мы хоть получим набор необычных и удивительных особенностей физических законов, которые помогут нам понять данный феномен.
“Для того, чтобы основательно углубится в философские вопросы и понять, как ведет себя наш мир и каково строение “разума”, т.е. “нас самих”, мы должны ближе познакомится с квантовой теорией – самой точной и загадочной из физических теорий. Настанет время, когда наука достигнет более глубокого понимания природы, чем то, которое предлагает нам квантовая теория. Лично я склонен полагать, что квантовая механика есть лишь промежуточный и во многом еще не адекватный шаг на пути построения полной картины реального мира” (стр. 188).
Есть надежда, что после прочтения главы 6 для нас загадочность исчезнет, также как и для Пенроуза. Сейчас для Пенроуза никакой загадочности нет, так как он бьется над уточнением положений квантовой теории. Ведь не логично говорить о точности загадочного и не понятного.
Вторая фраза верна как прогноз. Но давайте сразу разберемся с квантовым уровнем познания. Мы пока топчемся на молекулярном и атомарном уровне познания и изредка ныряем на уровень частиц и то о них знаем только то, что они называются бозонами, фермионами и т.д. Не знаем, из чего они устроены. Как это “чего” структурировано в частицах, как оно там держится? Участвует ли это “чего” одной частицы во взаимодействии с другой частицей? Можно спорить до изнеможения как ведет себя электрон в атоме и ни к чему не прийти, пока не перейти на квантовый уровень познания. Оно так и есть в настоящее время. Все согласны, что ускоряющийся электрон излучает фотоны (свет). А где он их берет? С потолка? Из себя. Ему больше неоткуда взять энергию, только из себя. И эта энергия предстает в виде электромагнитного излучения. Из чего состоит электромагнитное излучение и подлежит изучению следующей ступени гносеологии.
На данном этапе познания наука работает с величинами примерно 10-20, возможно есть такие частицы. А квант простирается до величин 10-40. В электроне 1041 частиц, которые, по выражению Вальтера Ритца, переносят энергию. А уж сколько единиц субстрата магнитной или электрической составляющей в кванте и подумать страшно. Вот квантовая теория и должна описывать явления, лежащие меньше величин 10-20.
Похоже, что для Роджера Пенроуза не существует ни Энгельса, ни Гегеля, ни Ленина. Он последователей Нильса Бора критикует.
“Последователи Нильса Бора утверждают, что объективной картины реального мира не существует. С точки зрения квантовой теории “там, вовне” ничего не существует. Реальность же каким-то образом возникает только в связи с результатами “измерений”. Согласно этой точке зрения квантовая теория представляет собой лишь вычислительную процедуру и не пытается описывать мир таким, каков он есть в действительности. Такое отношение к теории, на мой взгляд, является пораженческим, и я буду следовать позитивистскому способу рассмотрения, согласно которому объективная физическая реальность может быть описана терминами:квантовым состоянием”. (стр. 188).
По поводу того, существует ли объективная реальность или это только наши ощущения (измерения), написана В. Ульяновым чудесная книжка “Материализм и эмпириокритицизм” и что-нибудь добавить к этому невозможно. То, что это признает Р. Пенроуз это хорошо, а вот придерживается он этого взгляда в своей работе, выяснится позже.
Несомненно, что объективная физическая реальность описывается квантовым состоянием”, так как во все времена и в любой точке пространства частицы атомов и молекул находятся в каком-то квантовом состоянии. Не существует ни одного физического явления, которое было бы в каком-то не квантовом состоянии.
Нас интересуют не термины (это путь в идеализм), а сущность квантовых состояний. Чем конкретно отличается одно квантовое состояние от другого квантового состояния, например, воды и пара или живого и мертвого? Что изменилось в молекулах воды, что они образовали пар? И не надо говорить, что повысилась энергия молекул, и они перешли в газообразное состояние, потому что я спрошу, а что случилось с молекулой, что ее энергия повысилась. Не следует ссылаться и на то что, дескать, это микромир и там нечто особенное. Природа едина, и квантовые явления проявляются в законах Ньютона в такой же мере, как и законы Ньютона, проявляются на квантовом уровне. И так в любом явлении.
Нет сомнения и в том, что квантовые состояния любой системы являются относительно устойчивыми (атомы хотя и распадаются, но не столь быстро, чтобы был хаос) и что понимает под временной эволюцией квантового состояния Пенроуз понять сложно.
“Существует точное уравнение – уравнение Шредингера, которое описывает причинно обусловленную временную эволюцию этого состояния”. (стр. 188).
Действительно такое уравнение существует и описывает эволюцию квантового состояния. Чего квантового состояния? Квантового состояния атома, электрона, фотона или вообще какого-то состояния ни к чему не привязанного, т.е. абстракции? Последнее это удел игры математиков. Если имеется в виду, например, квантовое состояние электрона, то уравнение Шредингера говорит, что в этом месте пространства в это время с такой-то вероятностью должен быть электрон. По какой причине он находится здесь и в это время – уравнение не говорит. Чтобы возникла причина необходимо, чтобы появилась сила. Но об этом даже нет и намека. Это просто кинематическое уравнение не ясно чего. Время идет, а с ним изменяется и вероятность. Вот это и есть эволюция. А причем здесь понятие квантования, если о кванте не и намека. Поэтому и возникает недоумение.
“Но взаимоотношение между изменяющимся во времени квантовым состоянием и наблюдаемым реальным миром происходит довольно странным образом. Время от времени – всякий раз, как только мы делаем заключение, что “измерение” уже произведено, мы вынуждены от того самого квантового состояния, за эволюцией которого мы наблюдали и использовать его только для вычисления вероятности, что оно скачком “перейдет” в одно из возможных новых состояний” (стр. 188).
А что тут странного? Мы не знаем, какое возмущение мы вносим в измеряемый объект и поэтому не знаем, какую порцию энергии он излучит или поглотит. Если я стукнул по столу карандашом, я не знаю, сколько электронов стола я заставил излучить или поглотить фотоны, и поэтому только с той или иной вероятностью я могу предсказать изменение температуры стола, т.е. изменение квантового состояния.
Уравнение Шредингера не содержит ни какой абсолютной точки, кроме интегральной величины вероятности, т.е. мы можем с достоверностью сказать, что электрон есть, а где он находится точно – не известно. Чтобы уравнение было точным в него надо ввести динамику, а именно, этот минимальный кусочек энергии – квант, от имени которого мы ведем рассуждения. В этом случае скачек будет ясным и предсказуемым, и мы сможем измерять относительные изменения квантовых состояний объектов, что собственно нам и нужно, например, для построения квантового компьютера.
“Далее в этой главе мы рассмотрим некоторые необычные следствия этих “скачков” квантового состояния. Например, каким образом “измерение” производимое в одном месте, может вызвать “скачек” в другом удаленном месте!” (стр. 188).
Вот видите, к чему приводит игнорирование присутствие кванта в квантовой теории. Если во время “измерения” произойдет возмущение, приведшее к генерации фотона, то излученный фотон может спровоцировать такой “скачек” квантового состояния в атоме углерода, что тот образует связь с кислородом или водородом. И это может произойти на любом расстоянии. Очевидная без таинств вещь. И еще:
“Допустим, что у объекта есть два различных, совершенно равноправных маршрута движения. Если эти маршруты предоставить ему по очереди, то он движется по ним одинаково хорошо. Но если открыть для него оба пути, то объект не может пройти ни по одному из них!” (стр. 189).
Конечно, в макромире такое не возможно. Если в заборе есть дыра, в которую я могу пролезть, то я в нее и пролезу. В случае появления в заборе другой дыры я пролезу в ту дыру, в которую пролезать удобней и меня не смутит вторая дыра. Но в микромире, нас убеждают, это не так. Я попытался вспомнить все объекты микромира, которых бы останавливало количество путей. Нейтроны, протоны, электроны, позитроны, мюоны, пионы, фотоны, кванты, нейтрино и уж не знаю еще какие объекты, будут просчитывать количество разрешенных путей. Не встречались и опыты (Комптона, Кауфмана, Юнга, Фарадея, Физо, Майкельсона, Саньяка и т.д.), в которых бы наблюдался эффект торможения движения из-за открытия дополнительных путей.
Дальше в этом разделе автор обещает нам рассказать много интересного:
“Например, частицы могут находиться сразу в двух местах!” (стр. 189).
Нам здесь предполагается понимать: одна и та же частица может одновременно находится в двух местах. А если частиц много, например, в кирпиче, то:
“Оказывается, что отдельная частица в такой системе не имеет определенного состояния” (стр. 189).
Так может эта частица дробится и сразу может находиться в двух местах и, естественно, в неопределенном состоянии? Не будем гадать, будем пытаться понять.
Жаль только, что не выяснили, нужна ли философам квантовая теория, и какая квантовая теория. Логичнее было бы поставить вопрос: нужна ли физикам философия? и ответить на этот вопрос положительно.
В разделе “Проблемы с классической теорией” говорится:
“… классическая теория, несмотря на свое величие, столкнулась с серьезными трудностями. Главной из них было сосуществование физических объектов двух видов: частиц, описывающихся конечным числом параметров (шестью – тремя координатами и тремя компонентами импульсов), и полей, имеющих бесконечно большое число параметров. Такое деление в действительности оказывается физически непоследовательным. Для того, чтобы система частиц и полей пришла в состояние равновесия (или “полного покоя”), вся ее энергия должна перейти от частиц к полю. Это – проявление так называемого принципа “равномерного распределения энергии”: в равновесном состоянии вся энергия распределяется между всеми степенями свободы системы. В этом случае классический атом был бы не стабилен, ибо движение его частиц трансформировалось бы в волновые моды поля ”. (стр. 189).
Какой физический смысл содержится в понятии “энергия распределяется”? Я сижу в комнате у компьютера, на улице минусовая температура. Тепловые фотоны от батареи отопления, разлетаясь во все стороны, распространяют тепловую энергию, пытаясь выровнять температуру во всей комнате. То же самое пытаются сделать и молекулы воздуха, перемешиваясь в конвекционных потоках. То есть все частицы стараются как можно больше увеличить энтропию. Возвращаясь к предыдущему разделу можно сказать, что закон энтропии превалирует над законом квантовой механики, запрещающему движению объектов при наличии двух путей. Возможно, при наличии большего количества путей, чем два, закон квантовой механики работает по-другому? Это не большой казус.
Суть трудности классической теории заключается в том, что в данном случае она рассматривает идеализированный объект и пытается его состыковать с реальностью. Она рассматривает тот же электрон в атоме, как частицу, которая обязана излучать энергию согласно уравнениям Максвелла, куда-то в пространство вовне атома. Да такой процесс происходит, когда электрон переходит с одного энергетического уровня на другой. Но когда он находится на стационарном уровне, то он тоже все время излучает, определенной величины фотон, которым он обменивается с ядром. Это и есть гравитационная сила в атоме. Именно она и создает такое устойчивое динамическое равновесие в атоме. Как мы говорили электрон, никогда не упадет на ядро, несмотря на электростатическое притяжение его ядром. Мало того, как мы не сжимаем атом, то есть пытаемся прижать электрон к ядру, у нас ничего не получается. Это сделать ему не позволит магнитная составляющая ядра. Но и организовать устойчивое образование атома только магнитной и электрической силами не возможно. Они, в конце концов, сравняются, и электрон от вращения обязательно излучит порцию энергии и если эта энергия будет потеряна, то также будут потеряны и остальные части электрона. Он просто испарится.
Также не подчинялось правилам классической теории и абсолютно черное тело. Оно излучало электромагнитные волны, которые должны были перекачать энергию частиц тела в себя. И энергия волны должна была все возрастать, но на практике этого не наблюдалось.
Эти факты и потребовали разработки новых взглядов на такие явления. Какие же новые взгляды предлагаются?
