Особенности пространства-времени в квантовом мире

Возможно, мы и не задумываемся о том, что не всё на свете находится во времени и пространстве. Например, математические истины.  А мысль, хотя, по-видимому, как-то связана с объемом мозга, не может быть локализована.  Очень своеобразные варианты связи с пространством и временем доставляет квантовая область.

Для понимания в основных чертах ДОСТАТОЧНО ознакомиться с ПЕРВЫМ разделом. Во ВТОРОМ содержится для ЖЕЛАЮЩИХ  подробный анализ схем опытов.

                1.
Мы затронем следующие свойства:

1. Квантовая НЕЛОКАЛЬНОСТЬ.  В опытах частица всегда фиксируется как целостный неделимый объект.  Однако вероятность обнаружения ее в том или ином месте зависит от наличия и свойств ВСЕХ возможных путей движения. Наглядно - частица "знает" о всех путях и, таким образом, ей не может быть сопоставлен  путь, которым она прошла, иначе - ее локализация.

2. Квантовая ЦЕЛОСТНОСТЬ. При разлете частей ранее единой системы, - скажем,  электрона и позитрона, образовывавших ранее квазиатом - фиксация в опыте одного из возможных значений некоторой физической величины одной части системы МГНОВЕННО  меняет вероятности исходов  измерения той же величины у другой части системы, предопределяя результат, - независимо от расстояния между частями.

Это  свойство называют также невозможностью отделимости.  Здесь имеется в виду не столько отделимость в обычном пространственном смысле, сколько  отделимость областей в формально-математическом гильбертовом пространстве.  Как состояния системы, так и измеряемые величины являются операторами в этом пространстве.  Знакомые с матрицами могут представлять операторы как многомерные матрицы.  И только в частном случае, когда исчезают все, кроме диагональных ее элементов, состоянию может быть сопоставлен вектор, более знакомый студентам как волновая функция.  Многие странности квантового мира могут объясняться тем, что он сам по себе «живет» именно в этом гильбертовом пространстве.

В этом пространстве действует иная логика, нежели в привычном макромире.  Наглядно это проявилось выше  в том, что нельзя «макроскопически»-четко различить логические операции И (по одному и по другому путям) и ИЛИ (по одному или другому пути).  Существует крайне радикальное мнение: наш мозг не может воспринять эту квантовую логику и вынужден  понимать по частям, имеющим более привычный вид.  А нумерация этих частей – эквивалент порождению (пусть дискретного) времени.  Но это лишь одна из гипотез... 

                2.

Обратимся к верхней схеме на иллюстрации.  Это простейший и, вероятно, знакомый со школы  интерферометр.  Луч света, входящий слева, делится полупрозрачной и полуотражающей   пластинкой - светоделителем СД1 на два равных потока, с помощью зеркал З1, З2 проходящих по разным путям. Они встречаются у второго светоделителя СД2, который мы можем вставлять или убирать.  Длины путей света от СД1 до СД2 – одинаковы.

Если  убрать СД2, то, очевидно, на каждый из детекторов Д1, Д2 попадет одинаковый поток света. Если мы вернем СД2, то на воде в каждый детектор смешаются оба луча. Но поскольку у них одинаковый путь, одно и то же число волн внутри схемы, они встретятся в фазе и картина не изменится. Мы можем, однако, изменится, если на пути света поставим одну или две, но неодинаковые стеклянные пластинки с отличным от единицы показателем преломления. Тогда лучи окажутся, вообще говоря,  на детекторах не в фазе  будут усиливать один из потоков и гасить другой.  Это всё давно известно в оптике.

Интересное начинается, если вспомнить, что свет является совокупностью частиц – фотонов, и использовать современную возможность направлять эти фотоны по одному, не торопясь ( в привычных нам световых потоков их очень много).  Уберем сначала светоделитель СД2 около детекторов.    Один фотон попадет на детектор Д1, второй, возможно, на Д2, итд  Довольно естественно, что никогда один и тот же фотон не будет зарегистрирован сразу на обоих детекторах.  Т.е. он  проявляет себя как целая и неделимая частица, прошедшая по одному из возможных путей.  Относительная доля отсчетов на каждом детекторе  будет приближаться к половине.  Введение стекол – ФЗ1 и или ФЗ2 не изменит картины.

Однако вернем второй светоделитель СД2.  Теперь, вводя регулируемые фазовые задержки, удается увеличить число отсчетов на одном детекторе и уменьшить, вплоть до нуля, на другом.  Иначе говоря, то же явление, что при интерференции потоков света.  Но одиночному фотону не с кем интерферировать!   И всё же придется признать: неделимая при регистрации частица «чувствует» все возможные, а не один, пути перемещения.  Это свойство называют обычно нелокальностью.

Другое непривычное для макромира свойство проявляется в системах, состоящих из двух и более частиц. Для определенности рассмотрим позитроний – подобие атома, состоящее из электрона и позитрона, отличного от первого только знаком заряда. Каждая из  частиц обладает спином – наглядно, но неточно, одинаковым моментом вращения, причем у одной частицы вращение идет в одном направлении, а у другой – в противоположном. Эти моменты изображают обычно стрелкой вверх или вниз. Полный спин, т.е. сумма моментов двух частиц,  S=0. (нижняя схема на иллюстрации)

За время до распада позитрония можно успеть ударить по нему, скажем, парой фотонов, так что составляющие его частицы разлетятся далеко.  Однако полный спин пары сохранится. 

Представим теперь, что мы измерим спин одной из частиц
Точнее, измерительная установка для любого заранее выбранного направления – вертикального горизонтального, наклонного – определит одно из всего двух возможных значений:  стрелка вверх или стрелка вниз.   Приготовив прибор, мы можем уйти – наше присутствие не требуется.

В силу закона сохранения момента – спина  теперь измерение спина другой частицы по тому же направлению обязано дать противоположный результат. (Если же измерять вдоль другого направления – тоже вверх или вниз, но с вероятностями, по известным правилам зависящими от различия направлений). 

А что бы измерила вторая установка, если бы не произошло первого измерения?  С равной вероятностью вверх или вниз для любого направления.   Конечно, первую и вторую установку, как и частицы, можно поменять местами. Суть останется прежней: фиксация в измерении спина одной частицы мгновенно! приводит к изменению возможных исходов измерений для другой частицы, совершенно независимо! от расстояния между ними.  Этот вывод проверен на опыте. 


Рецензии
Прочитала с интересом, спасибо!
Возник не совсем научный вопрос: если, двигаясь по своему пути, частица (фотон) "чувствует" или, иначе, как бы "заранее помнит", все возможные пути своего перемещения, а также, если при фиксации спина одной из двух разлетевшихся частиц позитрония другая частица как бы получает новые возможности, то не является ли это своего рода намёком на существование параллельных миров, где реализуются все возможные варианты, которые "помнят" и "чувствуют" эти частицы?

И, если применить это к человеческой жизни в качестве аналогии, то каждое наше действие, чувство, мысль, каждый наш выбор в любой момент времени - это выбор одного варианта из их бесчисленного множества, запускающий во времени соответствующую этому выбору "ветку" развития событий, вероятностей и возможностей.

Благодарю Вас, Николой!
С уважением и добрыми пожеланиями,

Анна Филимонова   01.05.2020 17:40     Заявить о нарушении
Рад Вашему отклику, Анна!
Действительно, такого рода предположения существуют. Я их затронул в

http://proza.ru/2018/05/20/664

http://stihi.ru/2014/02/02/9571

Но нужно иметь в виду, что математика квантовой теории подробно и надежно разработана, туда нельзя просто вставить еще что-то. Речь скорее об интерпретации...

Многомировые мысли о человеческой жизни чаще используют фантасты, при внимательном рассмотрении выявляются сложности... Хотя картина веера - "метлы возможностей" , отличающая будущее от прошлого, встречается и в филисофии. В сети можно найти статью Анисова "Свойства времени".

Николай Старорусский   01.05.2020 19:04   Заявить о нарушении
Все хорошо, но почему на Проза Ру?

Яцук Иван   02.05.2020 00:07   Заявить о нарушении
Иван! Взгляните на рубрики Прозы - там есть и наука, и философия.

Возможно, и Вам станет интересно устройство Мира когда-нибудь. Хотя бы без точной математики...

Николай Старорусский   02.05.2020 07:36   Заявить о нарушении
Николай, чтобы продемонстрировать знания квантовой механики, я написал научно-фантастический роман "Родственник из другой Вселенной".Есть на Литресе. А на Проза Ру я хочу демонстрировать литературные способности. К сожалению,этот сайт понемногу превращается из литературного в религиозный, исторический, философский и так далее, но никак не литературный. Найти хорошую литературную работу очень сложно. Вот и вы туда же. А почему не написать рассказик в духе Айзека Азимова или Бредбери, вот там и дайте простор своим квантовым теориям.

Яцук Иван   02.05.2020 15:26   Заявить о нарушении
Я не занимаюсь фантастикой и придумыванием теорий, скорее наоборот,

Николай Старорусский   02.05.2020 15:40   Заявить о нарушении
А что значит "наоборот"? Теории, фантастика вами занимаются? Тогда вам надо в другое отделение.

Яцук Иван   02.05.2020 20:53   Заявить о нарушении