Три голубя, квантовая физика и мухлеж

 Публичный пост
25 марта 2024  1693

Представьте, что у вас есть три голубя и вы их сажаете на два стулав два гнезда. В каком-то гнезде непременно окажется два голубя. Так ведь, так?! В квантовой физике это не так. Мы можем взять три квантовые частицы и поместить их в две коробки так, что ни в одной из коробок не будет двух частиц.

"Ой, Миша, дуришь ты нас", скажете вы. Ну ведь абсурд же, как такое может быть?! В целом — spoiler alret — я действительно дурю, хотя хитрее, чем может показаться на первый взгляд.

Начнем с того, что мы готовим три частицы в суперпозиции состояний (в коробке 1) + (в коробке 2). Разумеется, в таком случае две частицы с какой-то вероятностью окажутся вместе в одной из коробок. Но если производить измерения определенного типа (об этом ниже), окажется, что в некотором количестве случаев ни в одной из коробок мы не обнаружим двух частиц одновременно.

Вся суть тут в том, какие измерения мы производим. В классической физике мы можем заглянуть в первую или во вторую коробку — и это все измерения, которые возможны. Если мы проведем такие измерения над квантовой системой, мы сколлапсируем волновую функцию частицы: как в случае с котом Шредингера, мы откроем коробку и увидим, что частица находится там или нет (кот жив или мертв). Но в квантах мы можем провести и другие измерения: проверить например, находится ли частица в двух коробках сразу. Или можем проверить, находится ли она в некоторой комбинации коробок с разным весом (например, находится ли она в таком состоянии, что, если бы мы измеряли коробки по отдельности, мы бы ее обнаружили в 30% случаев в первой, а в 70% — во второй).

Эти измерения в разных базисах — основа квантовой физики и с их помощью можно обнаружить отличие квантовых систем от классических. Я писал больше про это в статье про парадоксальную реальность квантовой механики..

Итак, у нас есть три частицы в состоянии суперпозиции. Теперь мы производим измерение, которое спрашивает: находятся ли, например, частицы 1 и 2 в одной коробке. Важно, что мы не уточняем, в какой именно коробке! После этого мы производим еще одно измерение, переводящее систему в новую суперпозицию.

Само по себе промежуточное измерение даст результат: для каждой из частиц вероятность быть в одной коробке составляет 50%. Но теперь мы сделаем финт ушами и выберем определенный набор результатов финального измерения. И обнаружим, что в этом случае в 100% измерений частицы находились в разных коробках. Это будет справедливо для каждой пары частиц по отдельности, из чего мы делаем вывод, что ни в одной из коробок не было двух частиц одновременно! Такой эксперимент провернули с фотонами и наблюдали описанный эффект.

Следили за руками?

  1. Мы выбираем определенные результаты финального измерения исходя из результатов промежуточного измерения.
  2. Мы говорим, что измеряем конкретную пару частиц и видим, что они находятся в разных коробках. Повторяя для всех пар, получаем, что ни в одной коробке не находится пары частиц одновременно. Но только при условии, что выполняется условие 1).

Первый шаг уже указывает важную особенность: мы не говорим о прямом наблюдении, а лишь о косвенном выводе, типа "раз мы наблюдали такой результат измерения, то частицы должны были быть в разных коробках". Это — особенность квантов, но пока еще не причина парадокса. Эта особенность, кстати, сама приводит к странным выводам и в более простых экспериментах, типа квантового ластика с отложенным выбором, когда кажется, что можно повлиять на результат измерений, совершенных в прошлом (на самом деле нельзя).

А вот второй шаг — тот момент, где происходит мухлеж волшебство. Для каждой пары по отдельности вероятность обнаружить их в одной коробке равна нулю. Из этого делается вывод, что, т.к. коробки и частицы одинаковые, для всех пара будет справедливо то же. Но как мы можем в этом убедиться?

Для этого надо повторить измерение, но уже над другой парой. И над другой. А потом посмотреть на корреляции между измерениями. Каждое измерение пары по отдельности имеет нулевую вероятность для пары нахождения в одной коробке. Но если измерять пары последовательно, конечная вероятность нахождения пары в одной коробке окажется ненулевой!

Погоди, скажете вы, ты ж только что нам затирал, что ни в одной коробке не окажется пары? Дело в том, что случае обычных измерений, сам факт измерения изменяет всю систему. Как с котом: измерили — и вот он мертвый. Тут мы измерили пару — и система уже в новой суперпозиции. Последующее измерение другой пары уже будет над новой системой, так что его результат будет отличаться (и мы измерим две частицы в одной коробке).

Чтобы все же получить парадокс, придется этот эффект можно обойти. Каждое измерение является взаимодействием между измерителем и системой. Это взаимодействие и приводит к разрушению состояния системы. Но мы можем уменьшать силу взаимодействия до тех пор, пока влияние на систему не сведется до минимума. Конечно, мы будем получать все меньше информации о состоянии, но какую-то все же будем получать! Такие измерения можно повторять раз за разом, почти не изменяя состояния системы. Вот такие измерения и приводят к парадоксу.

Итак, в рассмотренном эксперименте есть два варианта для промежуточных измерений:

  1. если мы не используем измерения слабых величин, то каждое промежуточное измерение влияет на последующие и никакого парадокса не случается.
  2. если мы используем слабые измерения, то делаем вывод, что три голубя сидят в двух гнездах так, что ни в одном гнезде нет двух голубей одновременно.

И вот тут надо задуматься о том, какой мы смысл вкладываем в слова "частицы находятся или не находятся в одной коробке". В случае обычных измерений мы напрямую наблюдаем их либо в одной коробке, либо нет. Но в случае со слабыми измерениями это не так: мы подглядываем в систему через замочную скважину и на основе это заключаем, что две частицы на самом деле не находятся в одной коробке. А потом подглядываем еще раз и делаем такое же заключение и т.д.

Но справедливо ли это предположение? Не является ли это просто артефактом применения классической логики на квантовый мир?

Тут нет однозначного вывода. Кто-то будет только рад сказать "мы посадили трех голубей в два гнезда, но ни в одном гнезде нет двух голубей". Кто-то скажет, что эти слова бессмысленны, когда мы их применяем не к прямым измерениям системы, а к наблюдению квантовых корреляций.

Мне кажется, в момент, когда мы делаем вывод о состоянии системы из результата слабых измерений, мы теряем важную часть информации о системе. То, что мы не наблюдаем частицы в одной коробке — не следствие того, что их там не было, а того, что наши наблюдения устроены так, что мы их не замечаем. Это можно даже посчитать в конкретных примерах. Но консенсуса нет.

В общем, квантовый мир странный, но попытки его объяснить иногда еще страннее.

Дальнейшее чтение:

1— сама статья с идеей
2 — экспериментальная проверка
3 — расчеты, показывающие, что эффект — результат неверной интерпретации наблюдений
4 — разбор логики (и ошибок) в интерпретации слабых значений


Если вам нравятся мои статьи или движухи в клубе — меня можно поддержать, купив бокальчик кофе. Я стану рад и начну делать больше классного и интересного!

Связанные посты
21 комментарий 👇
Yury Kuznetsov DevOps, недорого, самовывоз 25 марта в 17:02

Ничего не понял, но птичку - жалко!

  Развернуть 1 комментарий

@FEARmeR, эти безжалостные физики, то котов, то птичек!

  Развернуть 1 комментарий

Три голубя в две коробки — это по полтора голубя на коробку ==> ни в одной из коробок нет двух целых голубей. Проблема решена.

  Развернуть 1 комментарий

Краткое содержание поста:

:))

  Развернуть 1 комментарий

@spiridonov, мне первым делом в голову пришёл вариант: в одной коробке нуль голубей, в другой - три. Три голубя - не два голубя, ни в одной коробке нет двух голубей.

  Развернуть 1 комментарий

@ingor, вот! Так мы всех и дурим!

  Развернуть 1 комментарий

@ingor, о, так ещё проще! Но нужен демон Максвелла для голубей

  Развернуть 1 комментарий

  Развернуть 1 комментарий
  Развернуть 1 комментарий
Катерина Озеранская Дизайнер красивых интерьеров 27 марта в 13:10

Ничего не понятно, но очень интересно🙈

  Развернуть 1 комментарий

@KaterinaOzeranskaia, story of my life

  Развернуть 1 комментарий

Напрашивается цикл статей "Объясняем физику на коробках" от Миши Коробко.

  Развернуть 1 комментарий

@Spaider, опасный конечно комментарий в наше время.

  Развернуть 1 комментарий

@Spaider, Главное чтоб не на практике! Боюсь, если в меня засунуть кота, там не будет вопроса жив он или мертв😅

  Развернуть 1 комментарий

Михаил, а зачем эти измерения? Мы что-то можем лучше/больше/точнее делать после того как сделали их?

Пока что смог понять только на уровне «если так, то вот так, но если вот так то нихуясебе ого-го-го смотрите что это (но вообще не факт, что это оно, и мы все правильно понял )»

  Развернуть 1 комментарий

@aleksandrsazhin, они дают нам большее понимание свойств квантовой физики (и устройства природы). В данный момент их вряд ли можно применить к чему-то напрямую, но когда-нибудь вполне возможно они могут найти применение в каких-нибудь квантовых вычислениях или чем-то подобном.

  Развернуть 1 комментарий

@aleksandrsazhin, потому что это может пригодиться)

В XVII-XVIII веках исследования электричества считались бесполезной забавой для богатеньких, потому что никаких применений электричеству в обществе не видели. Ну, кроме салонных развлечений в стиле «давайте бить друг друга электричеством из лейденской банки и смотреть на искры разрядов от статического электричества в темноте».

Почему-то у нас любят подавать историю соответствующих исследований как дерево развития технологий в Civilization — типа вот тут открыли проводники и диэлектрики, тут сделали гальванометр, тут исследовали электромагнетизм — и оп, у нас уже есть электродвигатели, генераторы и Теслы по улицам катаются.
Хотя на самом деле, учёные из любопытства тут потыкали, там потыкали, что-то для себя сделали — а потом, иногда через очень много лет и совершенно в другой области, всякие прикладные учёные, инженеры и предприниматели неожиданно додумываются как это можно приложить к их задачам — и пошло-поехало.

К чему все эти «бесполезные» исследования привели в XX-XXI веке мы уже знаем). Это одно из свойств фундаментальной науки — она может и не давать сиюминутной выгоды, как прикладная наука, в духе «тут мы увеличили ёмкость аккумуляторов, тут засунули телевизор в спичечный коробок», да и не должна в общем и целом.
Ею занимаются, потому что провидцев среди человечества не завелось и заранее предсказать, к чему приведёт кажущееся бесполезным исследование «физики полёта полярной крачки на квантовом уровне» — мы не можем. Ну и потому что это интересно тем, кто этим занимается, конечно же)

  Развернуть 1 комментарий

Спасибо, интересно, в научпопе к сожалению очень мало уделяют внимания в этой теме на специфичность измерений и вообще специфичность всей этой области. И пытаться из этих специфичных данных делать выводы на основе классической картины мира - неправильно в своей основе.

Но тем не менее разобраться хочется, много лет из интереса ковыряю эту тему, но кроличья нора слишком глубока...
И, честно говоря, информации в сети валом для неискушенного юзера с неглубоким тех.образованием, но вся эта инфа обрывочна и часто глубоко противоречит самой себе. Не хватает полноценной картины, собрать не выходит.

  Развернуть 1 комментарий

@momai, проблема с квантовыми измерениями и научпопом в том, что их сложно объяснить без математики. А если начинать писать уравнения, тут 99% аудитории отпадает) Поэтому обычно ограничиваются самыми базовыми эффектами.

  Развернуть 1 комментарий

Что делать если такие произвольные статьи на около-научные темы не нравятся в клубе?

  Развернуть 1 комментарий

@mdogx, пройти мимо статьи как вариант. Как и с любым другим контентом, который тебе не нравится. А те, кому нравится, почитают и поставят лайк.
Кажется, годный вариант, когда контент не нарушает никаких правил

  Развернуть 1 комментарий

@khadmat96, в целом согласен.

  Развернуть 1 комментарий

😎

Автор поста открыл его для большого интернета, но комментирование и движухи доступны только участникам Клуба

Что вообще здесь происходит?


Войти  или  Вступить в Клуб