?

Log in

No account? Create an account

eslitak

Previous Entry Поделиться Next Entry
12:22 am: Квантовый ликбез - 1. Нулевой постулат.
Однажды я накропал образовательную статейку по квантовой механике. Получив в целом положительные отзывы как от специалистов, так и от интересующихся, я решил замутить очередной опус на эту тему. На сей раз пообширнее и поглубже. Пока кидаю "установочную" часть. Если кого заинтересовало - сообщите. Ваши коменты помогут мне преодолеть свою лень и продолжить.

UPD 19.09.2014: опус в первой редакци закончен.    



Надеюсь, этот текст поможет осмыслить квантовую механику тем, кому это для чего-то нужно. Я рассчитываю не столько показать набор квантовых "чудес" (этого добра навалом в научно-популярных статьях для скучающей публики), сколько донести до любознательного читателя какой-никакой физический смысл этих самых "чудес". При этом, со своей стороны обещаю не грузить заумной алгеброй и ограничиться относительно простыми формулами, понятными любому девятикласснику с честной четвёркой по математике. Но и вас попрошу не очень-то расслабляться и немного напрячь мозги, потому что даже и без головоломных формул тема весьма сложная.

На самом деле для понимания квантовой механики достаточно "проникнуться" всего несколькими нестандартными идеями. Нестандартными в том смысле, что они не укладываются в рамки привычных, "классических" представлений о мире. Это трудно - проникнуться, потому что наше мировоззрение ведь как устроено? Если какая-то идея противоречит нашим знаниям, то разум такую идею интуитивно отвергает. Ну или подавай ему, разуму, неопровержимые доказательства. Но прямых доказательств идеям, заложенным в основу квантовой механики, нет и, скорее всего, никогда не будет. Почему не будет - я поясню чуть позже. А пока укажу на такой факт: на основе квантовых идей построена теория, позволяющая предсказывать поведение микроскопических объектов. Это вообще главное предназначение физических теорий – объяснять и предсказывать поведение физических объектов, или, что то же самое, объяснять и предсказывать результаты физических опытов. Так вот, в классическую физику результаты опытов с микроскопическими объектами – атомами, протонами, фотонами и так далее ну никак не вписываются. Зато квантовая теория, построенная на вышеупомянутых недоказанных идеях, согласуется с этими самыми результатами безупречно. По крайней мере, до сих пор ни одного противоречия между опытом и квантовой теории учёным обнаружить не удалось. Так что, если ваш разум будет сопротивляться квантовым идеям и требовать доказательств, то просто объясните ему, разуму, что эти идеи надо принять в качестве постулатов, которые, как известно, не доказываются. В конце концов, постулаты классической физики тоже ведь не доказаны, однако наш разум против них не протестует. Почему? Просто мы привыкли считать правильными, например, постулаты классической механики – законы Ньютона, или общефизические постулаты – законы сохранения. Вот и к правильности квантовых идей – постулатов надо привыкнуть. Нет, нет, я не призываю вас уверовать в них, упаси Боже. Я просто предлагаю принять их в качестве рабочей модели, дающей непротиворечивое толкование имеющихся на сегодняшний день физических наблюдений. Ладно, хватит болтать, поехали (и махнул рукой).

Итак, взглянем на те самые «странные» идеи, они же – квантовые постулаты. Да, должен предупредить: постулаты, которые будут предложены тут вашему вниманию, немного (мягко говоря) отличаются от тех, что можно встретить в учебниках по квантовой механике, хотя и не противоречат им. Отличаются они только по форме, но не по сути. Надеюсь те умники, которые понимают «настоящие» квантовые постулаты из курса физики, это подтвердят.

Постулат 0:

Существуют вещи принципиально ненаблюдаемые, но влияющие, тем не менее, на наблюдаемые явления.

Идея эта, взятая сама по себе, вовсе не оригинальна. Наши предки изобрели её, пожалуй, раньше, чем приручили огонь. Все верования и религии полагают, что кроме нашего мира существует ещё ненаблюдаемый, «потусторонний» мир, в котором якобы обитают разные активные существа: боги, ангелы, черти, домовые и так далее. Существ этих, мол, мы наблюдать не можем, кроме тех «библейских» случаев, когда они сами изволят «явиться». Но, тем не менее, потусторонние существа как будто бы могут вмешиваться в дела нашего мира. Ну, там, Бог создал Землю, Зевс – громовержец молнией шарахнул, ангел-хранитель спас, бес попутал и всё в таком духе. Мы в наших разборках с квантовой механикой будем пользоваться той же старой схемой: есть ненаблюдаемый мир (квантовая реальность), и есть его влияние на привычный нам наблюдаемый мир (классическая реальность). Но, в отличие от наших полудиких предков, приписывать странные события воле высших сил мы не станем. Мы полагаем (во всяком случае, тогда, когда говорим о физике), что классическая реальность работает «автоматически», без всяких богов, по своим физическим законам. Вот и будем считать, что ненаблюдаемая квантовая реальность тоже работает «автоматически», только законы там другие.

Итак, идея не новая. Новизна же заключается в том, что теперь эта идея становится  физическим постулатом. «Классические» физики считали предметом своей науки только наблюдаемые вещи и явления, оставляя ненаблюдаемый мир философам на развлечение. Квантовая же физика включает ненаблюдаемый мир в сферу физической реальности и строится на предположениях о его свойствах. Эти свойства мы и будем дальше обстоятельно ковырять.

Да, ещё одно соображение по поводу нулевого постулата. Согласно ему, в квантовой реальности мы принципиально не можем что-либо увидеть или измерить. То есть, проверить непосредственно наши предположения о свойствах квантовой реальности – невозможно. Именно это я имел в виду выше,  когда говорил, что прямых доказательств квантовым идеям нет и не будет. И именно в связи с этим в науке существует множество разных «правильных» интерпретаций квантовой механики. Разных – в том смысле, что каждая из них по-своему толкует свойства квантовой реальности. И правильных – в том смысле, что все они не противоречат наблюдаемым физическим явлениям. Как же выбрать «истинно» правильную интерпретацию, если мы не можем заглянуть в квантовую реальность и проверить? Предлагаю поступить просто: выбрать ту, которая представляется наиболее понятной. Что-то в этом духе я и попытаюсь вам предложить.



Продолжение тут


Tags: ,

Comments

[User Picture]
From:levyi_botinok
Date:Июль 27, 2012 08:49 am
(Link)
Виноват.
Пишете Вы хорошо. Но на мой взгляд, зря затеяли. Вряд ли кому-то такие объяснения помогут.
Наверное, Вам самим Ваш первый постулат кажется логичным и понятным.
На самом деле, это шаг назад от науки к всемогущему объяснению всего: "так богом задумано".
Более того, мне не угадать, что именно Вы подразумеваете под своим нулевым постулатом?
- Это аналог идеи скрытых параметров? (Вроде бы мало осталось сторонников этих взглядов, по причине развенчания парадокса эпр)
- Принцип незбежного изменения состояния системы при наблюдении? Тогда формулировки не очень удачны.

Ну и с очевидностью классической физики и неочевидностью квантовой, я с вами не соглашусь. Классическая физика ведет прямиком к "лаплассовскому детерминизму" и фатализму, каковые интуитивно умом отвергаются. Квантовая же физика базируется на постулировании вероятности, как базового принципа изменения всех физических систем. И как раз это- вполне соответствует наиболее "приемлемой" логике мироздания.

С постулированием "ненаблюдаемости" есть проблема. Если что-то нельзя наблюдать даже косьвенно, значит это что-то никак не пересекается с миром, в котором мы живем, и о нем можно вообще не говорить. Если же какие-то точки пересечения есть. Тогда это что-то является наблюдаемым, и Ваш постулат повисает в воздухе.

Для того, чтобы стало понятно, куда Вы дальше будете прогрессировать, не скажете ли сразу, как Вы рассматриваете проблему детерминизма (надесь, он будет среди ближайших постулатов)
[User Picture]
From:eslitak
Date:Июль 27, 2012 02:24 pm
(Link)
> На самом деле, это шаг назад от науки к всемогущему объяснению всего: "так
> богом задумано".

Ох, чувствую, зря я провёл аналогию с религией.

> Более того, мне не угадать, что именно Вы подразумеваете под своим нулевым
> постулатом?

Значит, не очень хорошо пишу :)
Тут не надо угадывать. Первый постулат (как и все последующие) надо понимать буквально и не искать в них накакого скрытого смысла.

> С постулированием "ненаблюдаемости" есть проблема. Если что-то нельзя наблюдать даже косьвенно, значит это что-то никак не пересекается с миром, в котором мы живем, и о нем можно вообще не говорить. Если же какие-то точки пересечения есть. Тогда это что-то является наблюдаемым, и Ваш постулат повисает в воздухе.

Поскольку Вы в теме (судя по нашим предыдущим дискуссиям), то могу пояснить прямо. Под "ненаблюдаемым" понимается квантовое состояние, параметры которого невозможно измерить. Например, спин электрона может находиться в таком квантовом состоянии:

0.6 [вверх> - i 0.8 [вниз>

Но если мы это состояние этого конкретного электрона не знаем, то у нас нет никакой возможности его измерить. При любом измерении мы получим либо "вверх", либо "вниз", но измерить непосредственно амплитуды вероятности для отдельного электрона мы не можем. Тем не менее, мы считаем, что это принципиально ненаблюдаемое состояние ОБЪЕКТИВНО существует. И есть точка пересечения с наблюдаемым миром: эти ненаблюдаемые амплитуды определяют вероятности соответсвующих результатов изменения. Это и есть "мой" постулат почти в чистом виде: объективное существование принципиально ненаблюдаемых вещей, влияющих, тем не менее, на наблюдаемые вещи - результаты измерений.

> Для того, чтобы стало понятно, куда Вы дальше будете прогрессировать, не скажете ли сразу, как Вы рассматриваете проблему детерминизма (надесь, он будет среди ближайших постулатов)

Конечно же будет.
Судя по соседнему коменту, мои размышления о детерминизме Вы уже нашли в предыдущем опусе. Или нужны ещё какие-то раъяснения?

Как бы то ни было, спасибо, все замечания учту при подготовке "чистовика".
[User Picture]
From:levyi_botinok
Date:Июль 27, 2012 03:16 pm
(Link)
Все встало на свои места.
Это, конечно, дело хозяйское, с какой стороны подъезжать к читателю.
Я бы не стал трактовать квантовые состояния, как нечто принципиально ненаблюдаемое (и неидентифицируемое). Вроде как, считается, что после наблюдения мы можем знать про квантовое состояние "практически все" (в смысле, знаем с предельной информативностью расклад вероятностей при последующих наблюдениях).
Про принципиальную ненаблюдаемость будет любопытно почитать Вас, когда (если) дойдете до квантовых компьютеров.
From:valambar
Date:Март 27, 2018 01:10 pm

*** Ох, чувствую, зря я провёл аналогию с религией. ***

(Link)
Нет, не зря. Квантовая механика, после того, как я с ней познакомился, показала мне, что ею вполне можно описывать христианские понятия - например, Царство Небесное, грехопадение, бессмертие души.
В частности, Царство Небесное - в христианстве это нечто неразрушимое и вечное, в котором "несть болезнь, ни печаль, ни воздыхание", то есть мир, в котором никакая информация не теряется, энтропия не растет (и не просто не растет - ее там вообще нет). В квантовой механике это - "мир волновых функций", в котором все изменения идут по закону унитарной эволюции и информация там сохраняется полностью, роста энтропии нет (как и самой энтропии, т.к. волновая функция дает полную информацию о системе).
Грехопадение - это состояние невозможности воспринимать Царство Небесное (мир волновых функций), состояние, в котором есть разрушение и смерть (второй закон термодинамики с ростом энтропии), неполнота информации (квантовая вероятность дает каждый раз случайно только одно состояние из всех возможных, и какое выпадет - нать мы не можем).
Так что рекомендую Вам почитать источники по православному догматическому богословию, и там Вы увидите странное соответствие с квантовой механикой.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Март 27, 2018 06:22 pm

Re: *** Ох, чувствую, зря я провёл аналогию с религией. ***

(Link)
> В квантовой механике это - "мир волновых функций", в котором все изменения идут по закону унитарной эволюции и информация там сохраняется полностью, роста энтропии нет (как и самой энтропии, т.к. волновая функция дает полную информацию о системе).

С другой стороны, унитарная эволюция детерминирована, а значит не оставляет Богу возможности для "легального" вмешательства в ход событий, а человеку - места для проявления свободы воли. А вот абсолютно случайный (или кажущийся нам таковым) выбор одной из множества возможных альтернатив в момент квантовой редукции как раз такие возможности даёт.

> Так что рекомендую Вам почитать источники по православному догматическому богословию, и там Вы увидите странное соответствие с квантовой механикой.

Поиском подобных соответствий предлагаю заняться более продвинутым в
богословии авторам. Кстати, наверное, хорошая тема для докторской
диссертации по теологии: показать, что именно православные догматы (не католические, не протестантские, не мусульманские и т.д.) наилучшим образом согласуются с идеями квантовой механики. Я же, как натурфилософ, могу высказать только <технические> соображения на предмет соответствия между религией и квантовой механикой. Типа того, что написано в предыдущем абзаце.
[User Picture]
From:Эдуард Крамаренко
Date:Октябрь 27, 2018 05:46 pm
(Link)
<что именно Вы подразумеваете под своим нулевым постулатом?
- Это аналог идеи скрытых параметров?>

Интерпретация еслитака похожа на гибрид теории скрытых параметров и многомировой интерпретации.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Октябрь 31, 2018 08:18 pm
(Link)
Нет. Теория скрытых параметров - попытка спасти абсолютность классического детерминизма. Не разделяю.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Октябрь 31, 2018 08:20 pm
(Link)
Добавка на всякий случай: "классический скрытый параметр" не равно "квантовый ненаблюдаемый параметр". Ненаблюдаемые параметры имеются в любой интерпретации КМ, и в этой тоже.

Edited at 2018-10-31 20:21 (UTC)
[User Picture]
From:levyi_botinok
Date:Июль 27, 2012 11:59 am
(Link)
Прочитал (перечитал, если память не изменяет), Вашу статью по ссылке. Прекрасно написано. "Очередной опус" пока просматривается побледнее (чисто имхо).
[User Picture]
From:falcao
Date:Июль 27, 2012 09:47 pm
(Link)
Мне понравилось, как это написано, и философская часть в особенности.

Буду ждать продолжения.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Август 1, 2012 05:35 pm
(Link)
Мне самому интересно, что будет дальше :)
[User Picture]
From:ampir
Date:Август 8, 2012 07:14 pm
(Link)
бро, очень рад, что тема поднята.
извини, но рассыплю тебя сразу.
давай для начала определим понятие "квант".
то есть не с теоретической фени , а с инженерной.
свойства кванта, масса, и т.д
дружище, если тебя не затруднит и тебе интересно моё мнение, то кидай, пжлст, в личку, лента у нас с тобой огромная, не уследишь.
если хочешь, можем вынести дискуссию на стандалон. я хочу, мне важно.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Август 9, 2012 06:36 am
(Link)
> давай для начала определим понятие "квант". то есть не с теоретической фени , а с инженерной. свойства кванта, масса, и т.д

Уж рассыпал так рассыпал! :)
Извини, дружище, но для это звучит примерно так же, как если бы я предложил поговорить о цифровой электронике, а ты бы сказал: "давай для начала определим понятие цифры - свойства цифры, электрическое сопротивление, ёмкость и т.д." Без обид, но такое твоё предложение показывает, что ты совсем не в теме.
From:fdo_eq
Date:Сентябрь 12, 2014 03:45 am
(Link)
Ссылка на статью-исходник не работает :-(
[User Picture]
From:eslitak
Date:Сентябрь 12, 2014 04:56 am
(Link)
Спасибо, починил.
[User Picture]
From:Olga Voziakova
Date:Январь 9, 2015 04:20 pm
(Link)
Ура! Спасибо! Продолжайте в том же духе, пожалуйста :-)
[User Picture]
From:eslitak
Date:Январь 10, 2015 08:54 am
(Link)
Спасибо за "Ура!". Только я не понял, оно относится только к этому посту, или ко всему циклу в целом? :)
[User Picture]
From:Olga Voziakova
Date:Январь 10, 2015 02:49 pm
(Link)
Весь цикл еще не прочла, в процессе :-)
[User Picture]
From:Эдуард Крамаренко
Date:Октябрь 17, 2018 01:56 pm
(Link)
Автор, можете составить оглавление текста с живыми ссылками на главы?
Если мне нужна двадцать шестая глава, то для того, что-бы дойти до неё мне нужно прощёлкать первые двадцать пять.
[User Picture]
From:eslitak
Date:Октябрь 18, 2018 05:14 am
(Link)
Составлю, когда смогу. А пока предлагаю отсеять записи по тэгу "квантовый ликбез".
[User Picture]
From:Эдуард Крамаренко
Date:Ноябрь 1, 2018 12:48 pm
(Link)
У вас исчезла статься про неравенства Белла. Выдаёт ошибку 404.

Edited at 2018-11-01 12:56 (UTC)
[User Picture]
From:eslitak
Date:Ноябрь 1, 2018 06:44 pm
(Link)
Это не статья исчезла, это ссылка сглючила. Спасибо, поправил.
Разработано LiveJournal.com