Как объяснить двухщелевой эксперимент, если ненавидишь квантовую физику?

Многие думают, что квантовую физику придумали люди с необычным мышлением. Я не могу полностью согласиться с этим утверждением, но понимаю, откуда берётся такое мнение.

Для большинства людей, которые хорошо понимают и могут применить на практике законы физики Ньютона, понять квантовую физику кажется сложной задачей. Однако, как, например, объяснить легендарный двухщелевой эксперимент?

Самое простое объяснение, которое не предполагает ничего вроде того, что кошки одновременно живы и мертвы, мультивселенная, фундаментальная роль измерения, нелокальная связь между частицами и похожего — это контекстуальный реализм.

Во многом подход основан на философии Жослин Бенуа и трудах философа-физика Франсуа-Игоря Приса.

Хочу сразу отметить, что подход не считается общепризнанным, поэтому если вы вдруг обнаружили этот материал в поисках ответа на школьно-институтский вопрос, то лучше бы придерживаться классического восприятия проблемы. Увы, широта мышлений и познаний редко оценивается преподавателем. Но зато это отличный вариант альтернативного описания физики процесса двухщелевого эксперимента, который смело можно показывать.

В чём суть?

Представьте себе Вселенную, содержащую только два объекта (два бильярдных шара), которые сталкиваются друг с другом в пустом пространстве и отскакивают друг от друга..

Это взаимодействие симметрично, но на самом деле симметрия представляет собой логическое противоречие. Напомним, мы говорили, что Вселенная содержит только два объектов, однако эта симметрия имеет смысл только в системе отсчета третий объект.

Почему? Поскольку скорость относительно самого себя всегда равна нулю. Если бы мы описывали взаимодействие из системы отсчета, сосредоточенной на одном из двух объектов, тогда взаимодействие больше не было бы симметричным, потому что нельзя было бы сказать, что один из объектов движется. Его скорость снова будет равна нулю относительно самого себя.

Чтобы описать что-либо, вам нужно выбрать объект, чтобы расположить другой объект относительно него. Это означало бы, что вселенную с двумя объектами на самом деле нельзя описать таким образом, чтобы она одновременно содержала два объекта. Скорее, ее можно было бы описать только двумя разными способами, с двух разных точек зрения.

При этом в каждом контексте Вселенная содержит только один объект, но этот единственный объект отличается в зависимости от выбранной системы отсчета. Привет теории относительности.

Действительно, когда мы выбираем объект в качестве основы системы отсчета, этот объект в некотором смысле исчезает.

В приведенном выше примере левый шар больше не имеет скорости, но в целом это применимо ко всем его возможным свойствам.

Когда мы тарируем весы для измерения веса объекта в мензурке, вес самой мензурки фактически исчезает, становясь нулевой точкой системы.

Каждое свойство, которое мы устанавливаем в качестве нулевой точки нашей системы координат, фактически приводит к ее исчезновению, и поэтому, если мы установим все, то пропадут все.

Если свойства объекта лежат в основе нашей системы координат, то этот объект фактически перестает существовать.

Например, наблюдение за деревом предполагает взаимодействие света с вашими глазами, но ваша перспектива не включает ваши глаза как часть взаимодействия. Человек мог сказать, что дерево взаимодействует с вашими глазами только со стороны, от третьего лица, то есть приняв систему отсчета третьего объекта, независимую ни от ваших глаз, ни от дерева.

Взаимодействие требует, чтобы два объекта взаимодействовали друг с другом, но вспомните, что для описания взаимодействия двух объектов мы должны принять систему отсчета третьего объекта.

Если вы принимаете систему отсчета одного из объектов, которые являются частью взаимодействия, то этот объект фактически исчезает из описания, и поэтому у вас остается только один объект, в котором вы описываете всё из системы отсчета другого.

Отдельный объект не может ни с чем взаимодействовать, и поэтому взаимодействие просто перестает быть применимым.

Это, в конечном счете, то, что подразумевает контекстуальная реализация. Если две системы взаимодействуют, и вы принимаете систему отсчета (контекст) одной из двух систем для описания другой, тогда свойства этой другой системы становятся осуществленными в этом конкретном контексте.

Существует разница между описанием реальности и самой реальностью. Математические модели носят описательный характер. Вы можете описать реальность из любого возможного контекста. Однако, это описание всегда отличается от реального мира. Наше непосредственное восприятие мира, или то, что мы называем наблюдением — это просто реальность. То как это есть на самом деле, то есть, как есть осуществленный, в нашем контексте, вариант.

В контекстуальной философии онтологическая реальность существует только с точки зрения свойств систем, реализующихся в конкретном контексте.

Не существует реальности, независимой от контекста. Никакой космической точки зрения, которая могла бы моделировать всю реальность вокруг, просто нет. Такая идея даже не была бы совместима со специальной теорией относительности, поскольку подразумевала бы слоение в пространстве-времени. Ведь не существует универсального определения одновременности.

Следовательно, если мы говорим что что-то существует на самом деле нам всегда приходится явно или неявно указывать контекст в котором это существование осуществлено.

Так как применить всё это к эксперименту?

Если мы будем помнить об этом, то квантовая механика обретет гораздо больше смысла. Волновая функция не представляет собой буквальную физическую сущность, плавающую в гильбертовом пространстве и разрушающуюся, как карточный домик, когда вы пытаетесь наблюдать, а просто иллюстрирует распределение вероятностей. Как предсказание погоды или шансов победы на скачках — того, какие свойства системы будут реализованы в определенном контексте.

Обычно этот контекст неявно является контекстом наблюдателя, проводящего эксперимент, или, по крайней мере, контекстом его измерительного устройства.

С этой точки зрения коллапс волновой функции на самом деле является полностью классическим, поскольку он просто относится к обновлению распределения вероятностей на основе конкретного результата, реализуемого в определенном контексте.

Мы делаем это и в классической теории вероятностей, например, если вы подбрасываете монету, можно сказать, что вероятность выпадения орла/решки в воздухе составляет 50 на 50, но если она упадет на сторону, то вы можете обновить вероятности до 100 к 0.

Когда люди сосредотачиваются на коллапсе волновой функции, они упускают из виду то, что делает квантовую механику интересной, поскольку это совершенно классическое явление.

Что делает квантовую механику интересной, так это интерференционные эффекты или тот факт, что амплитуды вероятности имеют комплексные значения.

В классической теории вероятностей они находятся в диапазоне от 0% до 100%, но в квантовой механике вероятность может быть равна -70i%.

Тот факт, что в классической теории вероятностей они никогда не могут быть отрицательными, означает, что они могут быть только когда-либо единоразово. В квантовой теории вероятностей они могут уничтожать друг друга. Эта отмена и есть то, что называется вмешательство или эффектом наблюдателя и является отличительной чертой того, что отличает квантовую механику от классической механики.

Вот почему на интерференционной картине в эксперименте с двумя щелями вы видите темные полосы. Это места, где вероятность присутствия частицы из этого контекста была исключена и уменьшена до нуля, поэтому там ничего не появляется. Хотя на первый взгляд может показаться странным наличие вероятностей, работающих таким образом, их физический смысл однозначен и ясно наблюдаем, а значит, и визуален в экспериментах, подобных этому.

Визуализация терпит неудачу, когда вы спрашиваете, что делала частица, когда вы не наблюдали за ней или когда вы не проводили измерения. С точки зрения контекстуального реализма, этот вопрос бессмысленен, потому что в вашем контексте фотон не был реализован в полете. В вашем собственном контексте это осознается только, когда вы взаимодействуете с ним, как описано в вашей системе отсчета. Следовательно, в вашем контексте не существует значимой онтологической реальности для фотона в полете.

После того, как вы произвели измерение, ваша точка зрения фактически изменилась, и вам придется учитывать это изменение. Это снова похоже на тарирование весов. Вы больше не находитесь в том же контексте, в котором были раньше, поэтому вам нужно заново центрировать свою систему координат на себе, чего и достигает коллапс волновой функции.

Другими словами, акт наблюдения меняет тебя. Если ты используешься в качестве основы системы отсчета, то ты больше не ты после наблюдения. Вы были изменены, и, следовательно, необходимо изменить систему координат, чтобы отразить это. Начнётся чехарда, которая со стороны будет выглядеть как квантово-волновой дуализм.

Если вы сконфигурируете измерительное устройство для измерения информации о направлении фотона, тогда в этом контексте будут реализованы свойства системы, которые в противном случае не были бы реализованы, и, следовательно, вы затем измерите, где фотон в конце попадает на экран. В случае эксперимента вы фактически проводите другой эксперимент, поскольку контекст этого наблюдения другой, то есть вы воспринимаете, где фотоны приземляются на экране, но с другой точки зрения.

Поскольку реальность зависит от контекста, то изменение вашего контекста, конечно, приведет к изменению того, что вы воспринимаете. Вот вам и объяснение.

Личное мнение

Я не хочу давать свою субъективную оценку этому подходу. Он, безусловно, интересен и может помочь разрешить многие спорные вопросы. Однако мне не совсем понятно, как можно проверить его на объективность.

По сути, мы имеем дело с чем-то вроде максимально расширенной теории относительности. Кроме того, все эти факты «исчезновения» объектов или сценариев больше похожи на чисто философский взгляд на проблему.

Мне кажется, что лучше всего основываться на стандартной квантовой теории, которая многим кажется странной. Но рассматриваемый подход всё равно интересен и имеет право на существование.