Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания

Биография

Ханс Даниель был третьим ребёнком в семье садовника Карла Фридриха Йенсена и его жены Хелены Аугусты Адольфины Йенсен (в девичестве Ом). С 1926 г. обучался сначала в Гамбургском университете, а затем в Фрайбургском университете. Изучал физику, математику, физическую химию и философию. После получения степени кандидата наук по физике остался в Гамбурге в качестве научного ассистента. В 1936 году получил степень доктора наук. В 1937 году становится доцентом и в 1941 году профессором в Ганноверском техническом университете. Вступил в Национал-социалистический союз немецких доцентов, Национал-социалистический союз учителей и наконец в НСДАП, но, как после войны доказывал Вернер Гейзенберг, поступил так лишь чтобы избежать препятствий на пути академической карьеры. В 1949 году назначен профессором в Гейдельбергском университете, где остаётся до пенсии. За это время он неоднократно преподавал в США, в том числе в Принстонском университете и в Калифорнийском университете в Беркли. С 1955 г., совместно с Отто Хакселем, являлся издателем журнала Zeitschrift für Physik.

Характеристикой человеческих качеств Ханса Йенсена может служить следующий анекдот:

Принцип неопределённости

Одно из ключевых явлений квантовой физики — квантовая запутанность частиц: изменение, произошедшее с одной частицей, приводит к изменению другой частицы, находящейся на расстоянии от первой. Точно рассчитать координаты и скорость квантовых частиц невозможно — этот принцип квантовой неопределённости сформулировал в 1927 году немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг.

Однако не все учёные были готовы смириться с неопределённостью. К примеру, с этим постулатом спорил Альберт Эйнштейн, который считал, что науке пока просто неизвестны скрытые параметры, заставляющие частицы вести себя определённым образом.

• AFP

В 1964 году физик Джон Белл предложил неравенство для проверки теории о скрытых параметрах. Неравенство, в которое требуется подставить результаты экспериментальных измерений, составлено так, что будет нарушаться, только если скрытые параметры не существуют.

Джон Клаузер развил идеи Белла и провёл практические эксперименты.

«Проведённые им измерения подтвердили квантовую механику, явно нарушая неравенство Белла. Это значит, что квантовая механика не может быть заменена теорией, использующей скрытые параметры», — говорится в релизе Нобелевского комитета.

Также по теме

«Эпоха бурного развития»: доктор наук — о квантовых компьютерах и второй технологической революции

Как устроен квантовый компьютер, а также чем квантовый телефон отличается от обычного и насколько защищённым будет квантовый…

Однако после опыта Джона Клаузера оставались ещё некоторые сомнения: нужно было устранить возможное влияние настроек измерения параметров частиц в момент покидания ими источника излучения.

Ален Аспе доработал экспериментальную установку таким образом, что эта важная лазейка была закрыта. Он сумел переключить настройки измерения после того, как запутанная пара покинула источник, таким образом, настройка, существовавшая на момент выпуска частиц, не могла повлиять на результат.

В свою очередь, Антон Цайлингер начал работать с запутанными квантовыми состояниями, проводя долгие серии экспериментов с использованием усовершенствованной аппаратуры.

«Среди прочего его исследовательская группа продемонстрировала феномен, называемый квантовой телепортацией, который позволяет передавать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии», — отметил Нобелевский комитет. 

Как пояснил в комментарии RT старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ имени М.В. Ломоносова, руководитель научной группы Российского квантового центра Станислав Страупе, лауреаты Нобелевской премии вели исследования оснований квантовой физики.

«Квантовый мир отличается от классического тем, что в нём присутствует принципиальная случайность. Есть ситуации, в которых результаты квантовых измерений нельзя спрогнозировать, как бы хорошо мы ни понимали физические процессы, которые в изучаемой системе происходят. В своё время с этой особенностью квантовой теории спорил Альберт Эйнштейн. Эйнштейн надеялся, что в будущем появится более фундаментальная и глубокая теория, объясняющая, как он считал, те пробелы, которые привели к появлению вероятностного подхода. «Бог не играет в кости» — так он говорил», — отметил эксперт.

• Альберт Эйнштейн
• Gettyimages.ru

Долгое время казалось, что это сугубо философский спор. Однако нынешние лауреаты Нобелевской премии смогли перенести данный вопрос из философской в экспериментальную область и доказали, что вероятностный подход — это не результат ошибок или пробелов, а действительно фундаментальный принцип, управляющий квантовым миром, подчеркнул Страупе.

«Аспе и Клаузер были пионерами этих исследований, а Цайлингер сделал очень многое для развития этой области науки — для оснований квантовой теории. Их работы заложили фундамент для исследований в сфере квантовых вычислений и связи. Всё это выросло из таких экспериментов и стремления учёных понять принципы квантового мира», — подытожил Страупе. 

Шрифты

• с Haxel, Suess: О «магических числах» в структуре ядра, Phys. Ред., Том 75, 1949 г., стр. 1766
• с Haxel, Suess: Об интерпретации превосходных нуклонных чисел при построении атомного ядра, Naturwissenschaften, Volume 35, 1949, p. 376, Volume 36, 1949, pp. 153, 155
• с Haxel, Suess: Модельная интерпретация превосходных нуклонных чисел в ядерных структурах, Zeitschrift für Physik, Volume 128, 1950, pp. 295-311
• с Haxel, Suess: Модель оболочки атомного ядра, результаты точного естествознания 26, 1952, стр. 244–290
• с Марией Гепперт-Майер: Элементарная теория структуры ядерной оболочки, Wiley 1955

Принцип неопределенности Гейзенберга

Но почему? Почему мы должны иметь дело с этими непонятными вероятностями и волновыми функциями, когда, казалось бы, нет ничего проще, чем просто взять и измерить расстояние до частицы или ее скорость.

Все очень просто! Ведь в макромире это действительно так – мы с определенной точностью измеряем расстояние рулеткой, а погрешность измерения определяется характеристикой прибора. С другой стороны, мы можем практически безошибочно на глаз определить расстояние до предмета, например, до стола. Во всяком случае, мы точно дифференцируем  его положение в комнате относительно нас и других предметов. В мире же частиц ситуация принципиально иная – у нас просто физически нет инструментов измерения, чтобы с  точностью измерить искомые величины. Ведь инструмент измерения вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, а в нашем случае и объект, и инструмент – это частицы. Именно это несовершенство, принципиальная невозможность учесть все факторы, действующие на частицу, а также сам факт изменения состояния системы под действием измерения и лежат в основе принципа неопределенности Гейзенберга.

Приведем самую простую его формулировку. Представим, что есть некоторая частица, и мы хотим узнать ее скорость и координату.

В данном контексте принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы. Математически это записывается так:

Принцип неопределенности Гейзенберга

Здесь  дельта x —  погрешность определения координаты,  дельта v — погрешность определения скорости. Подчеркнем – данный принцип говорит о том, что чем точнее мы определим координату, тем менее точно будем знать скорость. А если определим скорость, не будем иметь ни малейшего понятия о том, где находится частица.

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов. Вот один из них:

Полицейский останавливает квантового физика.
— Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?
— Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь

Вернер Гейзенберг

Надеемся, что эта статья помогла Вам немного размять мозги, вспомнить хорошо забытое старое, а может быть и узнать что-то новое.  Здесь мы постарались рассказать о квантовой механике просто, понятно и по возможности интересно. Конечно, данная тема не может быть раскрыта в рамках одной статьи, поэтому о парадоксах, нерешенных задачах, черных дырах и котах Шредингера мы поговорим в самое ближайшее время.  А пока, чтобы закрепить знания, предлагаем посмотреть тематическое видео. Возможно вас также заинтересуют правила оформления чертежей по ЕСКД.

И, конечно, напоминаем Вам! Если вдруг по какой-то причине решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме не дает Вам уснуть, обращайтесь к нашим авторам – профессионалам, которые были взращены с квантовой механикой на устах!

Биография[править | править код]

Ханс Даниель был третьим ребёнком в семье садовника Карла Фридриха Йенсена и его жены Хелены Аугусты Адольфины Йенсен (в девичестве Ом). С 1926 года обучался сначала в Гамбургском университете, а затем в Фрайбургском университете. Изучал физику, математику, физическую химию и философию. После получения степени кандидата наук по физике остался в Гамбурге в качестве научного ассистента. В 1936 году получил степень доктора наук. В 1937 году становится доцентом и в 1941 году профессором в Ганноверском техническом университете. Вступил в Национал-социалистический союз немецких доцентов, Национал-социалистический союз учителей и наконец в НСДАП, но, как после войны доказывал Вернер Гейзенберг, поступил так лишь чтобы избежать препятствий на пути академической карьеры. В 1949 году назначен профессором в Гейдельбергском университете, где остаётся до пенсии. За это время он неоднократно преподавал в США, в том числе в Принстонском университете и в Калифорнийском университете в Беркли. С 1955 года, совместно с Отто Хакселем, являлся издателем журнала Zeitschrift für Physik.

Характеристикой человеческих качеств Ханса Йенсена может служить следующий анекдот:

Достижения

Первые работы Йенсена, среди прочего две его диссертационные работы, были посвящены уточнению статистической модели атомной оболочки Томаса-Ферми. В конце 1930 г. он начинает интересоваться атомным ядром. Уже в 1939 г., основываясь на эмпирическом анализе свойств ядер, их энергий связи и распространённости в природе, он высказывает идею об оболочечной структуре ядра, однако в самых общих словах. Эта идея считалась очень зыбкой, так как с одной стороны, капельная модель ядра Нильса Бора от 1936 г. очень хорошо описывала ядерные реакции, и с другой стороны понятие орбиты в ядре, по-видимому, не имело смысла. Дальнейшее развитие этой модели было задержано международной изоляцией Германии во время второй мировой войны. Только в конце 40-х годов XX-го века Йенсен смог снова заняться данной темой. В 1948 г., применив модель сильного спин-орбитального взаимодействия, ему удалось объяснить существование магических чисел, обозначавших особо стабильные ядра. Одновременно с ним к тому же результату пришла в США Мария Гёпперт-Майер. В результате последовавшего интенсивного обмена идеями между Йенсеном и Гёпперт-Майер появилось почти полное понимание свойств лёгких ядер. В 1955 г. они совместно выпустили книгу Elementary Theory of Nuclear Shell Structure, в которой дали детальное описание структуры атомных ядер. За эти достижения им была присуждена половина Нобелевской премии по физике за 1963 г. Вторая половина премии была присуждена Юджину Вигнеру.

Нелокальность

Квантовая механика — очень контринтуитивная теория. Математика математикой, она может прекрасно работать и все объяснять, но человеческому уму голой математики не хватает. Чтобы голова болела поменьше, эту математику нужно как-то интерпретировать. Нормальные коты не могут быть одновременно живыми и мертвыми, а электроны — и частицей, и волной. Но удовлетворительного объяснения, которое никого не приводит в состояние ступора, у нас нет. Есть только парадоксальные: коты живы и мертвы в один и тот же момент, а природа электронов дуальна.

При этом искать объяснение для квантовой математики тоже можно по-разному. Одной из самых плодотворных оказалась формулировка через принцип нелокальности. Вопрос, как частицы взаимодействуют не взаимодействуя — в каком-то смысле тот же вопрос о живости кота и частичности электрона, но сформулированный другими словами.

Из-за этого Альберт Эйнштейн к квантовой механике относился неодобрительно, говоря, что «Бог не играет в кости». Человеческому уму непостижимо, что в мире все не детерминировано, а подчиняется законам вероятности. В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью, где описывался парадоксальный мысленный эксперимент, который должен был, по мнению авторов, показать, что за нынешней квантовой теорией должно найтись что-то еще.

Парадокс стоит на двух базовых свойствах квантового мира: принципе неопределенности и квантовой запутанности. Запутанность возникает при взаимодействии двух квантовых частиц: описывающие их волновые функции устроены так, что если у частиц общий источник или они действуют друг на друга с определенной силой, то их квантовые параметры (например, спин) становятся связанными, даже тогда, когда прямое взаимодействие между ними прекратится. Если очень аккуратно уносить частицы друг от друга, не давая им взаимодействовать с окружением и не разрушая их квантового состояния, то связь сохранится: противоположные (или одинаковые) спины частиц так и останутся противоположными (или одинаковыми). А если изменить спин одного из электронов — перевернется и спин второго. По мнению Эйнштейна, Подольского и Розена, эта запутанность противоречит принципу неопределенности. Уж слишком определенны оказываются состояния запутанных частиц.

Изначально в тексте мы писали: «Если изменить спин одного из электронов — перевернется и спин второго». Так говорить неверно: любая попытка прямого управления квантовым состоянием одной из частиц (как и измерение этого состояния) приведет к декогеренции и разрушит запутанность. Запутанность и связанность состояний электронов сохранится до тех пор, пока их не разрушит внешнее воздействие. Редакция приносит извинение за допущенную неточность. От редактора

Если две квантово запутанные частицы образовались в результате распада третьей, то из закона сохранения импульса их импульсы связаны друг с другом: знаю импульс одной, можно автоматически узнать импульс второй. Поэтому измерив импульс первой частицы и координату второй, экспериментатор может узнать для второй частицы и координату, и импульс — а это противоречит принципу неопределенности.

Карьера

В 1937 году Йенсен был приват-доцентом (неоплачиваемым лектором) в Гамбургском университете. и начал работать с Полом Хартеком, директором факультета физической химии университета и советником Heereswaffenamt (HWA, Управление вооружений армии) по взрывчатым веществам. Хартек и его ассистент Вильгельм Грот вступили в контакт с Рейхскригсминистериумом (РКМ, Военное министерство Рейха) 24 апреля 1939 г., чтобы сообщить им о потенциальных военных применениях цепных ядерных реакций. Военный контроль над немецким проектом ядерной энергетики, также известным как Uranverein (Урановый клуб), начался 1 сентября 1939 года, в день, когда нацистская Германия начала Вторую мировую войну, вторгшись в Польшу. Хартек, один из руководителей Уранферайна, привлек Йенсена к проекту. Основная тяга Дженсена заключалась в двойных центрифугах для разделения изотопов урана (см. Раздел ниже, где цитируются внутренние отчеты Uranverein). Хартек и Йенсен разработали двойную центрифугу, основанную на процессе раскачивания (Schaukelverfahren), чтобы облегчить эффект разделения.

В 1941 году Йенсен был назначен экстраординарным профессором теоретической физики в Высшей технической школе Ганновера (сегодня Leibniz University Hannover ), а в 1946 году стал там ординарным профессором. В 1949 году он был назначен ординарным профессором Гейдельбергского университета им. Рупрехта Карла ; а с 1969 г. — почетный ранний. Он был приглашенным профессором Университета Висконсин-Мэдисон (1951), Института перспективных исследований (1952), Калифорнийского университета в Беркли (1952), Университет Индианы (1953), Калифорнийский технологический институт (1953), Миннесотский университет, Города-побратимы (1956) и Университет Калифорния, Сан-Диего (1961).

В 1963 году Дженсен разделил половину Нобелевской премии по физике с Марией Гепперт-Майер за их предложение модели ядерной оболочки. ; другая половина премии была присуждена Юджину Вигнеру за несвязанные работы в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

Источники

• Бейерхен, Алан Д. Ученые при Гитлере: политика и физическое сообщество в Третьем рейхе (Йель, 1977) ISBN 0-300-01830-4
• Хентшель, Клаус, редактор, и Энн М. Хентшель, помощник редактора и переводчик «Физика и национал-социализм: антология первоисточников» (Биркхойзер, 1996) ISBN 0-8176-5312-0
• Хоффманн, Дитер между автономией и приспособленностью: Немецкое физическое общество во времена Третьего рейха, Физика в перспективе 7 (3) 293-329 (2005)
• Шааф, Майкл Гейзенберг, Гитлер и смерть бомба. Gespräche mit Zeitzeugen (GNT-Verlag, Diepholz 2018) ISBN 978-3-86225-115-5
• Уокер, Марк Немецкий национал-социализм и поиски ядерной энергии 1939–1949 (Кембридж, 1993) ISBN 0-521- 43804-7

Квант

Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят — квант света, квант энергии или квант поля.

Что это значит? Это значит, что меньше быть уже просто не может. Когда говорят о том, что какая-то  величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений.  Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами.

Сам термин «квант» имеет множество применений.  Квантом света (электромагнитного поля) является фотон. По аналогии квантами называются частицы или квазичастицы, соответствующие иным полям взаимодействия. Здесь можно вспомнить про знаменитый бозон Хиггса, который является квантом поля Хиггса. Но в эти дебри мы пока не лезем.

Квантовая механика для «чайников»

Внутренние отчеты

Следующие отчеты были опубликованы в Kernphysikalische Forschungsberichte (Исследования в области ядерной физики), внутренней публикации немецкой Uranverein. Отчеты были засекречены, их распространение было очень ограниченным, а авторам не разрешалось хранить копии. Отчеты были конфискованы в рамках операции союзников Операция Алсос и отправлены в США. Комиссия по атомной энергии для оценки. В 1971 г. Были рассекречены и возвращены в Германию. Отчеты доступны в Центре ядерных исследований Карлсруэ и Американском институте физики.

• Пол Хартек, Йоханнес Йенсен, Фридрих Кнауэр и Ханс Зюсс Über die Bremsung, die Diffusion und den Einfang von Neutronen in fester Kohlensäure und über ihren Einfang in Uran G-36 (19 августа 1940 г.)
• Поль Хартек и Йоханнес Йенссен Der Thermodiffusionseffekt im Zusammenspiel mit Konvektion durch Mechanisch Bewegte Wände und Vergleich mit der Thermosiphonwirkung G-89 (18 февраля 1941 г.)
• Йоханнес Йенсен убер умереть Ultrazentrifugenmethode zur Trennung der Uranisotope G-95 (декабрь 1941 г.)
• Поль Харест Jensen Gerechnung des Trenneffektes und der Ausbeute Verschiedner Zentrifugenanordnungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades einser einselnen Zentrifuge G-158 (февраль 1943 г.)
• Пауль Хартек, Йоханнес Йенсефрундер и Альберт Зюрезумнебе Цзюссенбер Цзюссаменберт Зюрезаменберт Зюрзамберд 159

Биография

Ханс Даниель был третьим ребёнком в семье садовника Карла Фридриха Йенсена и его жены Хелены Аугусты Адольфины Йенсен (в девичестве Ом). С 1926 г. обучался сначала в Гамбургском университете, а затем в Фрайбургском университете. Изучал физику, математику, физическую химию и философию. После получения степени кандидата наук по физике остался в Гамбурге в качестве научного ассистента. В 1936 году получил степень доктора наук. В 1937 году становится доцентом и в 1941 году профессором в Ганноверском техническом университете. Вступил в Национал-социалистический союз немецких доцентов, Национал-социалистический союз учителей и наконец в НСДАП, но, как после войны доказывал Вернер Гейзенберг, поступил так лишь чтобы избежать препятствий на пути академической карьеры. В 1949 году назначен профессором в Гейдельбергском университете, где остаётся до пенсии. За это время он неоднократно преподавал в США, в том числе в Принстонском университете и в Калифорнийском университете в Беркли. С 1955 г., совместно с Отто Хакселем, являлся издателем журнала Zeitschrift für Physik.

Характеристикой человеческих качеств Ханса Йенсена может служить следующий анекдот:

Достижения

Первые работы Йенсена, среди прочего две его диссертационные работы, были посвящены уточнению статистической модели атомной оболочки Томаса-Ферми. В конце  г. он начинает интересоваться атомным ядром. Уже в  г., основываясь на эмпирическом анализе свойств ядер, их энергий связи и распространённости в природе, он высказывает идею об оболочечной структуре ядра, однако в самых общих словах. Эта идея считалась очень зыбкой, так как с одной стороны, капельная модель ядра Нильса Бора от  г. очень хорошо описывала ядерные реакции, и с другой стороны понятие орбиты в ядре по-видимому не имело смысла. Дальнейшее развитие этой модели было задержано международной изоляцией Германии во время второй мировой войны. Только в конце 40-х годов XX-го века Йенсен смог снова заняться данной темой. В  г., применив модель сильного спин-орбитального взаимодействия, ему удалось объяснить существование магических чисел, обозначавших особо стабильные ядра. Одновременно с ним к тому же результату пришла в США Мария Гёпперт-Майер. В результате последовавшего интенсивного обмена идеями между Йенсеном и Гёпперт-Майер, появилось почти полное понимание свойств лёгких ядер. В  г. они совместно выпустили книгу Elementary Theory of Nuclear Shell Structure, в которой дали детальное описание структуры атомных ядер.За эти достижения им была присуждена половина Нобелевской премии по физике за 1963 г. Вторая половина премии была присуждена Юджину Вигнеру.

Уравнение Шредингера

Согласно легенде Эрвин Шредингер, в 1926 году выступая на одном научном семинаре с докладом на тему корпускулярно-волнового дуализма, был подвергнут критике со стороны  некоего старшего ученого. Отказавшись слушать старших, Шредингер после этого случая активно занялся разработкой волнового уравнения для описания частиц в рамках квантовой механики. И справился блестяще!  Уравнение Шредингера (основное уравнение квантовой механики) имеет вид:

Уравнение Шредингера

Данный вид уравнения – одномерное стационарное уравнение Шредингера – самый простой.

Здесь  x — расстояние или координата частицы,   m — масса частицы, E  и U  — соответственно ее полная и потенциальная энергии. Решение этого уравнения – волновая функция  (пси)

Волновая функция – еще одно фундаментальное понятие в квантовой механике. Так, у любой квантовой системы, находящейся в каком-то состоянии, есть волновая функция, описывающая данное состояние.

Например, при решении одномерного стационарного уравнения Шредингера волновая функция описывает положение частицы в пространстве. Точнее говоря, вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Иными словами, Шредингер показал, что вероятность может быть описана волновым уравнением! Согласитесь, до этого нужно было додуматься!

Эрвин Шредингер

Кто критикует Пенроуза

Большинство ученых считают, что мозг слишком теплый и влажный, а квантовая когерентность возможна лишь в изолированной холодной среде.

Самый известный критик теории Пенроуза — Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, который подсчитал, что квантовые эффекты внутри микротрубочек могли бы продлиться не более 100 квадриллионных долей секунды.

Даже бывший коллега Пенроуза Стивен Хокинг скептически относился к его теории: «Мне не по себе, когда физики-теоретики начинают рассуждать о сознании. Кажется, что вся теория Пенроуза основана на том, что раз нам почти ничего не известно ни о сознании, ни о квантовой гравитации, то эти два явления должны быть взаимосвязаны».

Что это значит

Первая квантовая революция в XX веке подарила миру транзисторы, лазеры, солнечные панели, мобильную телефонную связь и интернет.

XXI век открыл новые возможности для квантовой механики. Открытия современных физиков позволяют найти применение свойствам квантовой механики в реальной жизни: от передачи и хранения данных до алгоритмов квантового шифрования. Умение управлять запутанным состоянием частиц позволяет развивать область квантовых вычислений и вносит вклад в совершенствование квантового компьютера.

Индустрия 4.0

Миллион задач в секунду: как работают квантовые компьютеры

Квантовое превосходство — способность квантового компьютера решить задачи, которые не способен обработать обычный компьютер — было доказано IBM в 2021 году. Квантовые вычисления помогают ученым моделировать молекулы, химические реакции, квантовые эффекты.