Кто такой наблюдатель в квантовой физике
Что такое эффект наблюдателя в квантовой механике?
Основы квантовой физики
Область квантовой механики была в первую очередь основана на трех столпах. Первый из этих столпов известен как квантованные свойства. Квантованные свойства задают положение, скорость, цвет и другие свойства частицы, которые могут возникать только в заданных количествах времени и экземпляров. Это находится в прямом противоречии с верой, сложившейся в устоявшейся области классической механики, а именно в том, что все происходит в гладком и непрерывном спектре. Это было что-то, что ученые нашли очень новым и в конечном итоге назвали эти частицы квантованными частицами.
Вторая опора квантовой механики относится к природе частиц света. Сначала идея о том, что свет может вести себя и быть классифицированным как частица, столкнулась с колоссальной критикой, поскольку она противоречила устоявшемуся принципу, согласно которому свет имеет волнообразную природу.
Тем не менее природа частиц света принесла фундаментальную единицу, которая могла представлять крошечные энергетические пакеты, известные как кванты. Это было предложено никем иным, как самим Альбертом Эйнштейном. Эйнштейн предположил, что пакет энергии может либо генерироваться, либо поглощаться в целом, в частности, электроном, который хочет перейти из одного квантового состояния в другое.
Они использовали два принципиально разных математических подхода, чтобы доказать волнообразную природу материи. Позже, оба ученых были признаны за их вклад, и их идея была совместно названа моделью Гейзенберга-Шредингера. Гейзенберг сделал еще один важный вклад в квантовую механику. Хотя это и не так важно, как фундаментальные основы, оно сыграло значительную роль и известно как принцип неопределенности Гейзенберга. Он рассуждал, что, поскольку природа вещества подобна волне, некоторые свойства, такие как скорость и положение электронов, дополняют друг друга. Проще говоря, существует предел, до которого каждое свойство электрона может одновременно измеряться с определенной степенью точности.
Наблюдение влияет на реальность
Когда квантовый «наблюдатель» наблюдает, квантовая механика утверждает, что частицы также могут вести себя как волны. Это может быть справедливо для электронов на субмикронном уровне, то есть на расстояниях менее одного микрона или одной тысячной миллиметра. Когда они ведут себя как волны, электроны могут одновременно проходить через несколько отверстий в барьере, а затем снова встречаться на другой стороне. Эта встреча известна как вмешательство. Теперь самое абсурдное в этом феномене заключается в том, что оно может возникнуть только тогда, когда его никто не наблюдает.
Как только наблюдатель начинает наблюдать частицы, проходящие через отверстие, полученное изображение резко меняется: если можно увидеть частицу, проходящую через одно отверстие, ясно, что она не прошла через другое отверстие. Другими словами, под наблюдением электроны более или менее вынуждены вести себя как частицы, а не как волны. Таким образом, сам акт наблюдения влияет на экспериментальные результаты.
Чтобы продемонстрировать это явление, Институт Вейцмана построил крошечное устройство размером менее одного микрона с барьером с двумя отверстиями. Затем они направили поток электронов к барьеру. Наблюдатель в этом эксперименте не был человеком. Вместо этого они использовали крошечный детектор электронов, который мог обнаружить присутствие проходящих электронов.
Способность квантового «наблюдателя» обнаруживать электроны может быть изменена путем изменения его электрической проводимости или силы тока, проходящего через него. Помимо «наблюдения» или обнаружения электронов, детектор не влиял на ток. Тем не менее ученые обнаружили, что само присутствие «наблюдателя» детектора возле одного из отверстий вызывало изменения в интерференционной картине электронных волн, проходящих через отверстия барьера.
По факту, этот эффект зависел от «количества» наблюдения: когда способность «наблюдателя» обнаруживать электроны увеличивалась, другими словами, когда уровень наблюдения повышался, помехи ослабевали; напротив, когда его способность обнаруживать электроны была снижена, а наблюдение ослаблено, помехи увеличились. Таким образом, контролируя свойства квантового наблюдателя, ученым удалось контролировать степень его влияния на поведение электронов!
Наблюдатель, квантовая физика и единство всех религий. Почему состояние наблюдателя \ созерцателя верный путь к Богу?
В статье разбирается взаимосвязь понятия “наблюдатель” из квантовой физики с восточными религиозными и философскими учениями. Приводится несколько формулировок о том, кто на самом деле этот наблюдатель. Рассказывается в чем польза состояния беспристрастного наблюдателя. Даются методы постижения и углубления природы наблюдателя.
Наблюдатель в квантовой физике, восточных религиях и философских учениях
Бор не единственный ученый, кто ставит знак равенства между наблюдателем, человеческим сознанием и реальностью. Например, Хью Эверетт в своей книге «Формулировка квантовой механики через соотнесенные состояния» пишет про осознающего наблюдателя:
“ Состояние системы наблюдателя описывает наблюдателя, как определенно осознающего именно это особенное состояние системы. ”
Вернер Гейзенберг (немецкий физик, один из создателей квантовой механики) в своей книге «Физика и философия» утверждает:
“Наблюдение играет решающую роль в атомном событии, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, – это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов. ”
“Наблюдатели необходимы, чтобы привести вселенную в бытие”.
Джон Уилер вывел некий “Антропный принцип участия”, который означает, что Вселенная без разумного наблюдателя не обретают статус реальности. Причина этого в том, что только наблюдатель способен осуществить редукцию квантового состояния, переводящую бесчисленное множество возможных состояний в одно, реальное. Любое наблюдение включает в себя выбор того, что мы намерены наблюдать. Получается, что такие понятия, как «выбор» и «свободная воля», становятся частью квантового события.
Все вышесказанное буквально подрывает, устоявшееся у большинства людей стереотипы, что за рамками их собственного наблюдателя существует другой мир, который отделен и независим от них. Ведь если мир действительно ведет себя зависимо от того, как мы на него смотрим и воспринимаем, если кроме нашего нынешнего восприятия больше ничего не существует, что тогда означает «реальность» на самом деле?
Эффект наблюдателя показывает нам, что каждое живое существо творит свою персональную реальность и является в центре собственной Вселенной. То есть вокруг каждого отдельного наблюдателя, разворачивается его уникальная Вселенная, которая по своей природе очень динамична и существует только в рамках восприятия наблюдателя.
В свою очередь, для практикующих восточных религиозных традиций (буддизм, индуизм, даосизм) теория “несуществования мира отдельно от наблюдателя” не является чем то удивительным или спорным. Особенно для серьезных духовных практиков, с определенным медитативным опытом и познанием в области священных текстов. Так, в Йоге Васиштхе говорится:
“Этот иллюзорный мир есть ни что иное, как психологический обман.”
“Этот внешний мир – просто пустое выражение, его материалом является сознание.”
“Этот кажущийся мир воспринимался как истина в течение очень долгого времени, и требуется постоянная практика, чтобы отучиться от этого ошибочного восприятия.”
“Как во время сна реальностью является сознание, так и во время бодрствования сознание является единственной реальностью.”
“Единое космическое сознание видит множественность в себе, как видящему сон снятся разнообразные объекты внутри него самого.”
Таким образом, Йога Васиштха – квинтэссенция индуизма и в целом ведической мудрости, прямо указывает на иллюзорную природу реальности, которая не отделена от наблюдателя, и которая не существует без наблюдателя. Этот текст помогает познать природу наблюдателя через наблюдение за своим умом и окружающим миром, его движениями, даже через наблюдения за самим наблюдателем – осознать игру статичного, бесформенного сознания и движущихся на его фоне энергий.
Раскрытие изначальной природы наблюдателя – это одна из ключевых духовных практик в йоге, буддизме, даосизме и других восточных и эзотерических течениях. Не важно о чем мы думаем, о прошлом или будущем, спим или бодрствуем, стоим или движемся, есть некий свидетель-наблюдатель (некое чувство “Я есть”), которое всегда в настоящем моменте и без него не бывает ничего этого.
Существуют различные духовные практики и методы, которые как бы вырывают сознание от захваченности энергиями и помещают в беспристрастного свидетеля-наблюдателя. Например, дзен-буддисты практикуют дзенскую-медитацию (мистическое созерцание), суть которой проникновение в “истинную природу ума” и познание “невыразимого”, того что невозможно объяснить теоретически или изучить, как доктрину.
Здесь, речь идет о переходе в некое высшее состояние сознания, где наблюдатель (субъект) и наблюдаемое (объект) становятся неотделимыми друг от друга. Тогда любые выражения и формулировки просто утрачивают смысл, становятся ограничивающими и заведомо ложными.
“Мой друг, Я обращаюсь к твоему уму – какой смысл в этих многочисленных праздных разговорах? Мой друг, Я обращаюсь к твоему уму – всё это – только догадки и предположения. Я сказал тебе то, что является самой сутью: Ты – воистину Реальность, безграничная, как пространство.”
“Высшие состояния сознания – класс изменённых состояний сознания, где как считается, люди достигают повышенного уровня внимания, эмоций, или когнитивных способностей. Эти состояния представляются переживающим желанными, исполненными смысла и доставляющими приятные ощущения. Однако для их достижения и поддержания (в отличие от других видов измененных состояний сознания) требуются значительные усилия.”
Почему метод созерцания, что раскрывает природу наблюдателя – один из лучших инструментов духовного роста, независимо от религиозных убеждений?
В философии индуизма считается, что человеческое сознание схвачено и управляется системами тела, в частности 5-тью органами чувств (зрение, слух, вкус, обоняние, осязание) и кармой (желанием деятельности) – сюда входят любые привычки, тенденции, склонности, ограничения, все что формирует, обусловливает, сковывает наблюдателя. То есть, набор человеческих концепций, к которым привязывается сознание, которые его ограничивают и обуславливают, не дают проявлять свой истинный божественный потенциал.
Когда барьер из ограничений, страхов и концепций преодолевается, происходит нечто подобное, как с Люси, героиней одноименного фильма Люка Бессона. Посмотрите отрывок:
На начальных стадиях практика созерцания, помогает стать более утонченным и внимательным к своему телу и окружающему миру. Внимательность, концентрация, спокойствие, бдительность – лучшие друзья созерцания. Практикуя созерцание от 5 до 30 минут в день, человек избавляется от груза прошлого и тревог о будущем. Он учится радоваться и наслаждаться текущим моментом, контролировать ум и эмоции, быть спокойным и гармоничным. В результате ум, такого человека начинает трансформироваться, очищается и одухотворяется. То есть человек обретает качества, которые нужны для духовного прогресса в любой религии: смирение, терпение, всеприятие, гибкость, легкость, безобидность, доброта, сострадание и пр.
Смотрите, что происходит когда полностью перенес сознание в природу наблюдателя:
На более высших стадиях практики созерцания, приходят невыразимые словами духовные опыты единства сознания (наблюдателя) и окутывающей его материи. В традиции Лайя-йоги практика созерцания, начинается с самоисследования (Атма Вичары), суть этой практики – найти наблюдателя, прояснить кто наблюдает за телом и органами чувств, выяснить где этот наблюдатель. Подробней о практике Атмавичары и созерцания слушайте в лекции русскоязычного Мастера Йоги Свами Вишнудевананды Гири:
“Атмавичара” — практика самоисследование
Подробней о единстве науки и восточных религиозных учениях, также смотрите в лекции Свами Вишнудевананды Гири и в докладе Его ученика Амриташа:
“Разные взгляды на иллюзию”
Доклад «Иллюзия материального мира»
Друзья, спасибо за внимание, ставьте лайк и делайте репост на благо мироздания и всех живых существ! Да прибудет с вами бесконечных потенциал единства всех религий и научных знаний!
Нашли ошибку в тексте? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов
Михаил Петров
Никто в мире не понимает квантовую механику — это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.
Кот Шредингера
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция — математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.
По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.
У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому — тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с как раз был призван показать абсурдность этого явления.
Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.
Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.
Дифракция электронов
По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?
Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов — медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.
В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.
При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики — объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).
Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.
Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.
Нагретый фуллерен
Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах — крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).
Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.
Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.
Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.
Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр — около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте — крошечной алюминиевой полоске.
Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.
В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно — после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.
Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись — теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.
Замирающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.
Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье, опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать — просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).
Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.
Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?
Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть иллюзорное порождение нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» — комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин — декогеренция.
Дело вот в чем — во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.
Как раз это объясняет термин «декогеренция» — необратимый с точки зрения термодинамики процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».
Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните — сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность — выбирать приходится каждому из нас.