Эксперимент по введению мозга в заблуждение

 

Перед вами простой пример, позволяющий понять, каким образом ваш сложнейшим образом устроенный мозг может приходить к ложным выводам о форме и цвете предметов.

Все мы знакомы с тем, как должна выглядеть шахматная доска, а мозг хорошо разбирается в эффектах света и тени. Однако рисунок специально выполнен таким образом, чтобы ввести его в заблуждение. Вы совершенно отчетливо видите, что один из черных квадратов А в верхней части доски намного темнее, чем белый квадрат Б. На самом же деле оба квадрата окрашены в абсолютно одинаковый серый оттенок.

Это достаточно легко проверить, если согнуть страницу и совместить оба квадрата. Вы сами увидите, что их окраска совершенно одинакова. Если вы не хотите мять книгу, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Chessboard experiment. В видеоролике квадрат А сдвигается к квадрату Б и вы можете собственными глазами увидеть, что они имеют абсолютно одинаковый оттенок.

 

Оптическая иллюзия на шахматной доске

 

 

Квантовая реальность

 

Вы уже неоднократно слышали о том, что фотон, который пересек пространство, чтобы вы могли увидеть звезду, является квантовой частицей. Но что это на самом деле значит? В последнее время слово «квант» часто употребляется совершенно не к месту, особенно когда рекламируются какие‑то новшества вроде «квантовой вибрационной терапии» или превозносится «квантовый скачок» в развитии какой‑то отрасли. Это лишь создает путаницу в головах.

В физическом смысле квант – это мельчайшая возможная часть, самая крошечная порция чего‑либо существующего. Как мы уже видели, первоначально это слово употреблялось по отношению к частице, которую позже назвали фотоном, но сегодня квантовая физика занимается изучением и других мельчайших частиц.

Когда в начале XX века в научной среде появилось понятие кванта, все очень быстро поняли, что это нечто очень странное и необычное, своего рода Страна чудес, где частицы ведут себя совсем не так, как более крупные объекты в привычном нам повседневном мире. Бросая мяч, мы можем предсказать, как он себя поведет (при наличии достаточной информации). Но когда мы имеем дело с местоположением или характером движения квантовой частицы, речь может идти только о вероятностях. Вероятность трансформируется в точные данные только в момент измерения.

 

Опыт Юнга

 

Пожалуй, самой яркой демонстрацией странностей квантового мира может служить эксперимент, который был проведен в начале 1800‑х годов Томасом Юнгом с целью доказательства волновой природы света. Для этого луч света направлялся через пару узких прорезей и затем попадал на экран, установленный на некотором отдалении. Вместо того чтобы высветиться на экране в виде двух ярких полос, он образовывал последовательность расплывчатых светлых и темных участков.

 

Опыт Юнга

 

Это рассматривалось как доказательство волновой природы света, так как пятна на экране представляли собой интерференционный узор. Когда две волны на поверхности воды сталкиваются под некоторым углом друг к другу, возникает характерный узор. Если в точке соприкосновения обе волны находятся в верхней точке, их фазы складываются, образуя дополнительный подъем. Если обе находятся в нижней точке, в месте соприкосновения образуется более глубокая впадина. Если же в момент соприкосновения одна волна находится в верхней фазе, а вторая – в нижней, они взаимно компенсируются, и в этом месте можно наблюдать ровную поверхность воды. Это и есть интерференция. Очевидно, свет в этом опыте вел себя так же: темные полосы на экране обозначали компенсацию фаз, а светлые – их сложение.

Такая интерференция была бы невозможна, если бы свет представлял собой поток частиц. Представьте себе поток мелких частиц, направляемых в стену с двумя прорезями.

Они просто пролетели бы сквозь щели в прямом направлении, не образуя никаких узоров. Но, как вы уже знаете, свет – это поток фотонов. Почему же происходит интерференция? К слову, даже если вы будете запускать фотоны через щель по одному, они все равно создадут интерференционный узор. С чем же они в таком случае взаимодействуют?

Вот тут‑то и начинаются квантовые странности. Это происходит из‑за того, что фотон проходит сквозь обе щели и интерферирует сам с собой! Вспомните, что квантовая частица может избрать любой возможный путь от А до Б, но с разной вероятностью. Поскольку фотон не имеет точного местоположения, а только комбинацию вероятностей, он проходит через обе щели. Вероятность того, где он может быть найден, распределяется подобно волне, и именно эта вероятность создает интерференционный эффект частиц.

Если вы поставите специальные детекторы, которые будут определять, через какую именно щель прошел фотон, интерференционный узор исчезнет, а на экране появятся яркие точки, чего и следовало бы ожидать, если бы фотоны были просто частицами. При проведении измерений фотон вынужден занимать определенное положение в пространстве, а не распределяться по нему в соответствии с вероятностью, поэтому проходит только сквозь одну щель. Достаточно лишь обратить внимание на фотон, чтобы он полностью изменил свое поведение.

 

Неопределенность правит бал

 

Квантовая теория может показаться слишком расплывчатой и неопределенной наукой, но имейте в виду, что каждый раз, глядя на что‑то, вы запускаете квантовый процесс. Все ваше тело состоит из атомов, каждый из которых состоит из квантовых частиц. Пожалуй, самым известным термином, относящимся к квантовым частицам, является принцип неопределенности. Его иногда интерпретируют так, что в квантовом мире не существует ничего определенного, но на самом деле за этой концепцией стоит совсем другая философия. Принцип неопределенности (его еще иногда называют принципом Гейзенберга по имени сформулировавшего его немецкого физика) гласит, что чем большей информацией вы располагаете об одних свойствах квантовой частицы, тем меньше будете знать о других. Например, чем точнее вы можете определить местоположение частицы, тем неопределеннее будет ее момент (масса, умноженная на скорость). Если вам точно известен момент, это значит, что частица может находиться во Вселенной где угодно.

Чтобы лучше понять принцип неопределенности, представьте себе, что фотографируете частицу. Предположим, ваш фотоаппарат имеет такую малую выдержку, что вам удалось сделать четкий снимок частицы в пространстве. Вы можете рассмотреть ее во всех деталях. Но по фотографии вы не сможете определить, куда и как она движется. Может быть, она вообще стоит на месте, а может, несется с бешеной скоростью. Если же выбрать выдержку снимка подольше, то изображение будет размазанным. По такой фотографии вы мало что сможете сказать о том, как выглядит частица, поскольку изображение будет слишком нечетким, но зато сможете сделать вывод о том, с какой скоростью она движется. Примерно так же выглядит и компромисс между определением момента частицы и ее местоположения.

 

Полная путаница

 

В квантовом мире есть еще много (очень много!) вещей, от которых голова идет кругом, но мне хотелось бы вкратце упомянуть самую примечательную из них – так называемую квантовую запутанность. Она заключается в том, что между двумя квантовыми частицами может существовать такая тесная связь, что они являются фактически единым целым, даже если одна из них попадает в ваш глаз, создавая зрительный образ, а другая в этот момент находится в космосе на расстоянии нескольких световых лет.

Квантовый спин – удивительная вещь. Он происходит от английского слова spin, что значит «вращение», но частица не вращается вокруг своей оси, как Земля. Спин – это просто одна из числовых характеристик частицы. Если вы проводите его измерение, то на выбор может быть только две возможности: спин направлен либо вверх, либо вниз. До начала измерений ничего сказать о спине невозможно. Существует лишь вероятность одного из двух результатов.

Предположим, что эта вероятность составляет 50:50. Это значит, что в половине случаев измерения данной частицы вы получите «верхний» спин, а в половине – «нижний». Но пока вы не проведете измерение, определить, какой результат будет получен, невозможно, поскольку частица находится не в каком‑то одном из этих состояний, а в обоих сразу. Точно так же фотон может следовать по любому из возможных путей до тех пор, пока вы не вычислите его местонахождение.

Представьте себе, что у нас есть тесно связанная пара таких квантовых частиц. Если мы измерили спин одной из них, то можем с полной уверенность говорить, что у второй он будет в этот момент противоположным. (Создать такую запутанность между двумя частицами можно несколькими способами. Самый простой из них состоит в том, чтобы одновременно создать два фотона из одного и того же электрона.)

А теперь начинается самое интересное. Вы можете отдалить эти частицы друг от друга на любое расстояние – хоть послать на другой конец Вселенной, – но если в ходе измерения вы определили, что у одной из них верхний спин, то можете знать наверняка, что у другой он будет нижним.

Казалось бы, что тут такого? Если мы возьмем, к примеру, монету и распилим ее вдоль, то у нас получится две половины: одна – орел, а другая – решка. Вы, не глядя, кладете одну половину к себе в карман, а другую, опять же не глядя, отправляете куда‑то очень далеко. А теперь взгляните на половинку, которая лежит у вас в кармане. Если на ней орел, то вы сразу же понимаете, что на другой должна быть решка. Для этого не надо быть семи пядей во лбу. Однако с квантовыми частицами все обстоит не так просто.

Половинки монеты изначально являются либо орлом, либо решкой. Если же вы имеете дело с запутанными частицами, то их спин заранее не определен. Каждая из них в момент измерения может с 50‑процентной вероятностью находиться либо в одном, либо в другом состоянии. Обе частицы идентичны. Лишь когда вы обращаете внимание на одну из них и ее спин в этот момент случайно оказывается направлен вверх, вторая частица, где бы она в это время ни находилась, будет иметь нижний спин. Информация о состоянии друг друга мгновенно преодолевает просторы Вселенной. Вполне возможно, что в будущем можно будет таким образом хранить секретную информацию и получать ее в любой момент, когда только потребуется.

Если бы можно было использовать этот механизм для пересылки сообщений, они доходили бы до адресата мгновенно, где бы он ни находился. Правда, этот эффект проявляется случайно и не может нести значимую информацию. Вы не можете произвольно выбирать верхний или нижний спин.

Но даже в этом случае свойство квантовых частиц обмениваться информацией на огромных расстояниях может найти полезное применение. С его помощью можно так надежно шифровать сведения, что современным компьютерам для расшифровки понадобилось бы время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Существует также возможность квантовой телепортации, основанной на создании точных копий частиц на значительном удалении.