🗊Презентация Бабочка, электрон и космический ландшафт

Бабочка, электрон и космический ландшафт. Воронцов Игорь igor.vorontsov.mipt@gmail.com

Неопределённость в классической физике. Невозможность абсолютно точных измерений; Всё, что мы видим – прошлое; Нельзя точно рассчитать на длительное время; Неопределённость в теории сигналов: частота и интервал дискретизации сигнала не могут быть одновременно сколь угодно малыми; Неточность в законах физики, константах; Детерминизм или иллюзия детерминизма? Частота восприятия реальности определяет возможность предсказывать события.

Вероятностная природа классической физики. Неустойчивость уравнений классической механики работает как своеобразный микроскоп, который вытягивает на макроуровень все более и более мелкие возмущения первоначальной системы. Это приводит к тому, что классическая механика позволяет делать предсказания на сколь угодно длинные сроки только тому, кто знает начальные данные с бесконечной точностью, т. е. может оперировать с бесконечным объемом информации («Демон Лапласа»). Для вычисления погоды на два месяца вперед нужно иметь в запасе пять знаков точности. Практически это означает невозможность вычислений на такой срок.

Бильярд Синая. Через несколько столкновений рассчитать невозможно.

Физика 19-го века – усовершенствованный «здравый смысл».

Открытие принципа неопределённости В 1927-м году молодой немецкий физик Гейзенберг (ему было 26 лет на тот момент) открыл известный принцип неопределённости, который с тех пор носит его имя. В то время сложной неразрешимой проблемой, над которой бились лучшие умы того времени, был вывод формул для определения скорости и положения электрона. В то время, когда классики физики (Бор, Эйнштейн, Планк и другие) не могли решить проблему, 26-летний гений не только смог решить её, но и с помощью открытия этого принципа создал квантовую теорию. Гейзенберг понял, что неопределённость – это фундаментальное свойство нашего мира, на основе которого вообще существует движение и вещество. Два синонима – немного разный смысл, но оба есть одновременно. indeterminacy principle uncertainty principle Антонимом к первому – определённость (положения, скорости, времени…). Антонимом ко второму – получение полной информации. Гейзенберг – предложил во втором варианте. Известно сейчас – первый более точный. Ложная популярная трактовка – наблюдение события изменяет его.

Свет – волна.

Эпикур прав, Демокрит ошибался. Неопределённость в координате задаёт неопределённость пути. Связь между шириной щели и картиной интерференции – такая же, как у механических волн. Итак, корпускулярно-волновой дуализм – можно объяснить через принцип неопределённости.

Как двигается квантовый кот? Неопределённость кота в положении будет расти до тех пор, пока он не туннелирует в другую комнату (скачок).

Подбарьерное туннелирование. Примеры: сверхпроводники, туннельные диоды, радиоактивный распад, реакции внутри звёзд...

Квантовый бильярд («приключения Мистера Томпкинса»).

Квантовый бильярд. Этапы распространения волны в квантовом бильярде. Изначально волна сконцентрирована в импульсе круглой формы и движется слева направо, затем она расплывается и много раз переотражается от стенок. Легко рассчитать точно.

Связь между неопределённостями. Принцип неопределённости объясняет твёрдость тел – при сжатии уменьшается неопределённость координаты, а возросшая неопределённость импульса даёт давление. Поэтому он объясняет не только неопределённость, но и определенность.

В чём суть квантовой теории? Неопределённость и законы сохранения. Нелокальность и суперпозиция. Квантовая теория – это теория превращений. Два вида превращений: превращения в себя и в другое. Все превращения есть комбинации рождений и уничтожений частиц (квантовая теория поля). Вероятностная концепция причинности. На события влияет не только действительное, но и возможное. Неустранимость эффекта наблюдателя: формулировки предполагают разделение мира на наблюдателя и наблюдаемое, и вам не говорят, где проходит это разделение. Эйнштейн не принял квантовую теорию: «с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности всё ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать. Видите ли, наблюдение, вообще говоря, есть очень сложная система». 

« В действительности все не так, как на самом деле. » Станислав Ежи Лец, «Непричесанные мысли» Вот несколько таких общих положений, которые великолепно работали столетиями, казались настолько естественными для любой научной теории, что даже не оговаривались явно, но перестали работать в квантовой физике: • Точечная частица находится в некоторой единственной точке пространства в любой момент времени, иначе это не точечная частица. • Если провести над системой измерение, то мы станем лучше знать ее¨ состояние, если мерить достаточно аккуратно. • Измерение всегда можно провести сколь угодно аккуратно, по крайней мере в принципе можно. • Наука объективна в том смысле, что при изучении любого объекта мы можем исключить из рассмотрения субъекта, который этот объект изучает и измеряет. • Если измерение говорит нам «ДА» (система определенно обладает ¨ некоторым свойством), то такое же измерение над другой такой же системой в таком же состоянии тоже обязательно даст «ДА» (детерминизм). • Для того, чтобы состояние системы изменилось, надо, чтобы что-то провзаимодействовало именно с этой системой. • Состояния всех подсистем однозначно определяют состояние системы в целом. • В абсолютно пустом пространстве ничего не происходит – противоречит принципу неопределённости, поэтому вакуум постоянно «кипит».

Ахиллес и Черепаха.

Решение из классической механики. Решение из принципа неопределённости – неопределённость положения Ахиллеса станет больше расстояния до черепахи. Тогда появится большая вероятность схватить её.

В механике Ньютона – решением является непрерывность. Сумма бесконечно малых величин может быть конечна (эта идея возникла ещё у Кузанского задолго до матанализа). В квантовой механике: Неопределённость места не даёт возможность /2 всегда. Невозможно определить точное время начала пути.

В механике Ньютона – есть понятие мгновенная скорость. В квантовой механике: Невозможно фиксировать точный момент времени; Если систему измерять очень часто, она останавливается за счёт частых превращений в саму себя (квантовый эффект Зенона).

В классической физике: апория делимости – не противоречие, а решение! В квантовой – дискретность .

«Если все сделано из элементарных частиц, а элементарные частицы подчиняются законам механики, то почему всё не подчиняется этим законам?» (с) Аарон О’Коннелл Квантовая машина – машина, основанная на принципах квантовой теории. Аарон О’Коннелл – первый физик, которому удалось собрать квантовую машину (кубит соединил с макроскопическим резонатором) в 2009-м году. В 2010-м году его изобретение журналом Science было названо прорывом года, так как впервые было продемонстрировано, что макроскопические тела, видимые невооружённым глазом, могут находиться в состоянии суперпозиции. «Макрообъект способен находиться в квантовой суперпозиции, но для этого надо ему немного помочь. Приведу аналогию. Неудобно ехать в переполненном лифте. Когда я в лифте один, то могу вытворять что угодно, но когда в нем есть люди, приходиться угомониться, потому что не хочу их беспокоить. Согласно квантовой механике неодушевленные предметы ведут себя подобным образом, а «попутчиками» для них являются свет, ветер, температура среды. Что бы увидеть, как кусочек металла будет подчиняться законам квантовой механики необходимо удалить всех «попутчиков»! Это нам удалось! …. Если кусочек металла может находиться в двух местах одновременно, как и атом, то почему не может человек?... Согласно Квантовой Механики всё взаимосвязано. Всё серьёзнее. Все те связи со всеми объектами, что окружают вас, определяют то, чем вы являетесь».  Квантовая случайность определила начальные условия в большом взрыве -> Законы природы, по которым мы живём, случайны; Теория мультивселенной и антропный принцип.