Альберт Эйнштейн

Постов: 16 Рейтинг: 30162
2232

Це не твое!

Развернуть
Це не твое!
1759

Вы когда то думали что будет если соеденить Якубовича и Эйнштейна?)

Развернуть
Если нет , то вот) Украинский художник Иван Марчук. Я просто балдею с этого дедули)
Вы когда то думали что будет если соеденить Якубовича и Эйнштейна?)
2985

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей

Развернуть
Квантовая жуть

Когда-то давным-давно (а точнее в начале 20 века) учёные внезапно обнаружили, что поведение элементарных частиц лучше всего описывается словом "случайно". Собрав все имеющиеся на тот момент выкладки они построили сущую чертовщину то, что сейчас называют квантовой механикой. Посмотрите внимательно на эти лица:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Благодаря им студенты сейчас изучают вместо E=mgh и V=V0+(at^2)/2 всякую математическую жуть типа такой:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
(фото для привлечения внимания)

Впрочем, несмотря на кажущуюся сложность, вся квантовая механика строится на нескольких простых базовых принципах. Краеугольный камень квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что невозможно одновременно измерить сразу два свойства какой–либо частицы. Например взаимоисключающими оказались координаты положения частицы и ее скорость. Или энергия частицы и длительность её измерения. Или, скажем, спин частицы по разным координатным осям (запомните этот момент, дальше он пригодится).
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
(на фото Гейзенберг и его принципы)

Из принципа неопределенности Гейзенберга прямо вытекает та самая идея, в которой любое событие в квантовом мире истинно случайно. То есть нет абсолютно никакой возможности предсказать результат любого конкретного эксперимента с элементарными частицами. Конечно, если мы проведём очень много одинаковых экспериментов, то сможем сказать - смотрите, действительно частица вероятнее всего оказывается в такой-то области. То есть вероятность вычисчить/предсказать мы можем. А конкретный исход конкретного опыта - нет.

Мы привыкли считать, что электрон в атоме вращается вокруг ядра подобно Луне на орбите Земли. Это интуитивная картина. На самом деле электрон находится в каждой точке пространства с определённой вероятностью, примерно как на картинке внизу:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Тут нет никакого подобия вращения. Нельзя сказать что у электрона есть траектория, ведь скорость и положение не получится измерить одновременно. Есть только облако вероятности, есть измерение и его результат в виде точки с координатами.

Как к такой картине можно привыкнуть и как перестать воспринимать элементарные частицы как шарики, летящие в пространстве по красивым кривым, могут сказать только учёные, которые на опытах с элементарными частицами кота собаку съели. Мы просто смиримся и продолжим.

Очень старый спор

Надо заметить, что вся эта квантовая жуть была не всем по нраву. Один учёный сказал: давайте представим, что элементарная частица распадается на две (обычное явление для элементарных частиц), а перед распадом мы измеряем скорость исходной частицы и координаты одной из двух полученных частиц (одновременно их измерить нельзя - неопределённость же), и вуаля - путём нехитрых расчётов узнаем скорость и координаты второй полученной частицы, а значит жуткий принцип неопределённости повержен.

Этого учёного звали Альберт Эйнштейн (без шуток).
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
На что другой учёный по имени Нильс Бор ответил, что разделившись, частицы всё равно остались одной квантовой системой, или проще говоря, квантово запутались. Поэтому, когда мы измеряем координаты одной частицы, вторая в соответствии с математическими выкладками должна об этом сразу узнать и сделать вид что её координаты тоже измерили! Причём мгновенно, независимо от расстояния между запутанными частицами.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
(на фото Бор и Эйнштейн что-то курят)

По хорошему после этого должен был приехать конный экипаж скорой психиатрической помощи и увести Бора под белы рученьки в палату к Сократу и Наполеону, однако многочисленные опыты показали, что идея о квантовой запутанности абсолютно верна.

Но Эйнштейн не унимался. На этот раз он взял пример с измерением спина как более наглядный, ведь измеряя спин у одной из запутанных частиц, мы по идее  заставляем тут же вторую запутанную частицу приобрести противоположный спин.

А наглядность этого примера ещё и в том, что частицы мы можем заменить на два сапога, правый и левый:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Теперь вместо исходной частицы мы имеем коробку с двумя сапогами, летящую, например, в космосе (почему бы и нет?). Коробка в какой-то момент раскрывается и сапоги летят в разные стороны. Летят долго. И вот, в далёкой-далёкой галактике, мы ловим один сапог и видим, что он правый. И в тот же момент мы узнаём, что второй сапог - левый! Параметры частиц получаются так же связанными, но при этом предопределёнными, а не как у Бора, случайными. Эта концепция получила название теории скрытых переменных - в ней мы так же ограничены в измерениях, однако измеренные параметры хоть и имеют случайное распределение, но предопределены заранее (т.е. когда мы поймали сапог, он был правым, а не стал правым).

Почувствуйте различие - в первой концепции спин одной частицы в момент измерения принимает своё значение случайным образом с вероятностью 50 на 50 ("отрицательный" или "положительный"), а спин второй частицы каким-то образом об этом узнаёт (в тот же момент, независимо от расстояния между частицами), и становится противоположным. А во второй концепции спины частиц предопределены и наблюдатель, проводя измерение, всего лишь узнаёт скрытую истину, а не запускает невидимый генератор случайных чисел.

Чисто с человеческой интуитивной позиции вторая концепция более правдоподобна. Если мы найдём в своём ящике правый кроссовок, значит второй точно будет левым, никакое квантовое состояние, теория вероятностей или прочая "жуть" здесь не нужна. А вот кроссовок, который не левый, и не правый, который в момент измерения становится левым, и заставляет тем самым второй кроссовок стать правым, как-то сбивает с толку.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Самое интересное, что обе концепции подразумевают один и тот же исход, а значит опытным путём узнать правду не получится. Сколько бы ни спорили Бор с Эйнштейном, решение вопроса о существовании "скрытых параметров" частиц не было получено - ведь как ни крути, несмотря на принципиальное различие концепций, исход опытов должен быть одинаковым: один сапог левый, другой правый. Сапоги-частицы либо изначально имеют определённые свойства (и это исключительно наша человечеческая проблема, что узнать их в полной мере не получается), либо они принимают их только в момент измерения. Какой вариант реален - поди угадай.

В итоге проблему наличия "скрытых параметров" стали считать исключительно философской. А Бор и Эйнштейн ушли из жизни так и не узнав, кто из них прав, и какова на самом деле суть реальности.

Спин, спин, спин

Спин. Мы привыкли считать, что это что-то связанное с вращением частицы. Даже картинки по запросу "спин" обязательно будут с вращающимися стрелочками:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Но спин это просто очередная квантовая характеристика частицы, рассуждать о спине как о реальном вращении лишь помогает проводить параллели с привычным нам миром, но не более.

Впрочем, есть некоторые общие моменты - например, спин, как и вращение, можно измерить по осям икс и игрек (на самом деле ещё и зед, но пока не будем усложнять):
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Допустим мяч вращается со скоростью 8.12 оборотов в секунду, на приведенном рисунке это получается гипотенуза, а Y- и X- спины вычисляются через синус (косинус) угла, ну, или по теореме Пифагора.

Теперь сравним с квантовым миром: там тоже можно измерять спин по произвольным осям, однако за каждое измерение только по одной из осей (вспоминаем первую главу, где говорится про принцип неопределённостей - нельзя одновременно измерить спин по разным осям).

Причём спин, в отличие от меры вращения материальных тел, всегда равен одному и тому же условному числу, у электрона это +1/2 или -1/2. То есть как правый или левый сапог, в общем противоположности.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
О спине, квантовой механике, принципе неопределённостей Гейзенберга, Альберте Эйнштейне, Нильсе Боре вы конечно слышали раньше. Ну а теперь вспомните, говорили ли вам что-нибудь в школе или институте о неравенствах Белла. Скорее всего нет, а ведь именно они открыли путь к определению сути реальности, и разрешили давний спор противников и сторонников идеи скрытых переменных.
Неравенства Белла (или величайшее открытие фундаментальной физики, о котором вы не знали)

Джон Стюарт Белл, ирландский физик, в 1964 году предложил математическую основу для разрешения проблемы существования скрытых параметров.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Причём в любой форме, для любых явлений, которые либо предопределены скрытым образом, либо случайны. Иииии сейчас будет материал, который чуть сложнее предыдущего (возможно, его даже придётся прочитать несколько раз), поэтому предлагаю немного собраться, посмотреть на котика, и продолжить.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Помните суть спора Эйнштейна с Бором насчет запутанных частиц? У запутанных частиц спин всегда занимает противоположные значения. Если у одной он "вниз", то у другой обязательно "вверх". Или же один сапог правый, а второй левый, помните? И невозможно узнать, какой был какой, покуда не было произведено измерения. Но вся фишка в том, что в отличие от правых–левых сапогов, спин у электронов может быть так сказать "вдоль любых осей".
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
А вот теперь хитрый финт ушами, который провернул Белл. Для начала продолжим оставаться лишь в трех перпендикулярных осях X, Y и Z, чтобы не морочиться с дробными вероятностями. Напомню, что если мы знаем спин электрона относительно оси X (скажем "вверх"), то мы понятия не имеем, каким он будет относительно оси Y, может быть "вверх", а может быть "вниз" с одинаковой вероятностью 50% на 50%. Вдоль же оси, расположенной под углом 45 градусов к X, вероятность "вверх–вниз" будет другая, но нам это не важно.

Далее представим себе, что мы меряем спин у первой частицы по произвольной оси, а потом у второй частицы, опять таки по случайно выбранной произвольной оси. Какова вероятность, что и там и там мы обнаружим, что спины совпадают (окажутся оба вверх или оба вниз)?

Напомню, если мы меряем спины у этих частиц по одинаковым осям, они всегда будут противоположны, частицы же запутаны. Если у одной из них спин "вверх" у второй запутанной частицы по этой оси спин будет "вниз", а значит вероятность обнаружения одинакового спина — 0%.

Несложно догадаться, что в варианте истинно случайного квантового мира, в котором каждый раз спин (и любая другая характеристика) появляется у частицы лишь в непосредственный момент измерения, если мы случайным образом выбираем ось измерения у первой частицы, и случайным образом выбираем ось измерения второй частицы вероятность обнаружить два одинаковых спина у этих двух частиц по разным осям равна 50%. Все это в истинно случайном квантовом мире Бора.

В мире скрытых переменных Эйнштейна оказывается совсем другая песня. Эксперимент протекает точно так же — мы случайным образом выбираем направления осей, что будем мерить, и мы заранее наперед не знаем, что за параметры были у частицы, которую мы будем измерять. Но главное, мы верим, что они у нее заранее были.

Предположим, к нам в руки попала частица, у которой заранее были предопределены спины по осям X, Y и Z. Пусть это были спины "вниз", "вниз" "вверх" (- - +) вдоль этих осей соответственно (левый, левый и правый сапоги в первой коробке). В то же время вторая запутанная частица имеет спины наоборот "вверх", "вверх" и "вниз" (+ + -) вдоль этих осей (правый, правый и левый сапог во второй коробке). Мы всего этого пока не знаем (и никогда полностью не узнаем), но принимаем что эти свойства у частиц уже есть, хоть они и скрытые и навсегда останутся скрытыми.

Посмотрим, какие варианты опытов у нас могут получиться с этими (конкретно этими) частицами. Всего мы можем выбрать 9 вариантов проведения эксперимента. По аналогии с реальным миром можно взять две реальные коробки, положить в них указанные правые и левые сапоги и начать случайным образом доставать по одному из каждой коробки, пытаясь не наткнуться на пару.

Измерять спин у первой (условно зелёной) частицы вдоль одной оси, а у второй (условно красной) вдоль другой, дозволено в комбинациях осей:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
А так как мы знаем заранее, какие у наших конкретных запутанных частиц спины по разным осям ("- - +" и "+ + -"), таблица будет выглядеть так:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
Все девять, других вариантов нет.

Теперь из таблицы сверху рассчитаем вероятность совпадения спинов, то есть долю вариантов ++ или --: очевидно она равна 4 из 9, то есть около 44%.

Если пары частиц будут выглядеть как "- + -" и "+ - +" или "+ - -" и "- - +" найденная вероятность, как ни крути, остаётся в силе - 44%. Добавим в общую кучу варианты, когда все спины в частице одинаковы по осям ("+ + +" и "- - -") - здесь вероятность совпадения спинов равна нулю:
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
В итоге, если рассмотреть все возможные конфигурации спинов в частице и варианты совпадений для запутанных частиц, получим общую вероятность в районе 33% - и эта цифра отличается от тех 50%, которые следуют из концепции истинно случайного мира.

Основная идея всей затеи такова - если мы проведем тысячи и тысячи опытов и в итоге получим одну вероятность какого-то искомого результата, значит, мы имеем дело с квантовым миром Бора. Если же получим другую вероятность (а еще точнее убедимся, что эта вероятность никогда не превышает или наоборот всегда превышает какое–то определенное значение, всегда чего–то больше или всегда меньше, отсюда и "неравенства Белла"), следовательно, мы живем в детерминистическом мире Эйнштейна, где истинных случайностей не случается (каламбур), все заранее предопределено, хоть мы этого никогда и не узнаем.
Подведём итоги

Джон Белл предоставил учёным математический аппарат, которым смогли воспользоваться только через 20 лет после его открытия. Были проведены тысячи опытов, спины электронов были измерены сотни тысяч раз... и вы наверно догадываетесь, каков результат.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
(фото установки, на которой в 2015 году с недостижимой ранее точностью проверялись неравенства Белла)

Да, природа нашего мира абсолютно случайна на квантовом уровне, нет никакой возможности предсказать результат следующего эксперимента, любое событие во Вселенной может произойти лишь с некой долей вероятности, чисто статистически, а может не произойти вовсе. Характер физических законов природы оказался истинно случаен.

Таким образом, в битве концепций жуткая и нелогичная версия Нильса Бора одержала победу над интуитивно более понятной и менее странной версией Эйнштейна.
Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей
К сожалению, великие учёные не дожили до разрешения спора: Белл открыл свои неравенства через 2 года после кончины Бора и через 9 лет после кончины Эйнштейна. Однако самому Джону Беллу повезло при жизни застать результаты экспериментов по проверке неравенств, которые носят его имя. В 1990 году Белл был выдвинут на Нобелевскую премию, и наверняка выиграл бы её, если бы не скоропостижная смерть от инсульта в возрасте 62 лет.

Сегодня учёные продолжают копать квантовую физику, запутывают частицы и даже телепортируют их (если в новостях вы слышите о телепортации - речь о запутывании двух частиц, передаче одной из них на расстояние по каналу данных и запутывание с третьей частицей, таким образом передаётся квантовое состояние), однако фундаментальная природа запутывания, одним из аспектов которого является существование "ужасного" мгновенного дальнодействия, до сих пор остаётся неразгаданной.
PS На самом деле чукча не писатель, и данный текст является всего лишь вольной адаптацией серии постов товарища под названием "Характер физических законов на пальцах™", так что если хочется больше подробностей, настоятельно советую сходить по ссылкам - , , .
1207

Вооооооуууу!!!

Развернуть
Вооооооуууу!!! GIF
1795

Доказательство того, что он все таки изобрел машину времени

Развернуть
Доказательство того, что он все таки изобрел машину времени
1164

Не, ну я б тоже поменял

Развернуть
Не, ну я б тоже поменял
934

Суперспособности ученых. Часть вторая.

Развернуть
Стивен Хокинг
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Дарвин и естественный отбор
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Ньютон и гравитация
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Тесла и его луч смерти
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Тесла и "катушка теслы"
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Мадам Кюри и её радий
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Мадам Кюри и полоний
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Пифагор и тетрактис
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Энштейн  E=mc2
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
Ньютон и дисперсия света
Суперспособности ученых. Часть вторая. GIF
5028

Суперспособности ученых

Развернуть
Дарвин и его теория эволюции
Суперспособности ученых GIF
Энштейн и его теория относительности
Суперспособности ученых GIF
Стивен Хокинг и его кротовая нора
Суперспособности ученых GIF
Пифагор и его теорема. 
Суперспособности ученых GIF
1263

Занимательная наука через правильное место

Развернуть
Занимательная наука через правильное место
Занимательная наука через правильное место
2115

Работает только в том случае, если вы не живёте в Саратове

Развернуть
шутка-минутка
Работает только в том случае, если вы не живёте в Саратове
4136

Ох уж эти ученые

Развернуть
P.S. переоформил по просьбе санитаров "свежего"
Ох уж эти ученые
793

Остановись мгновение. Часть 35.

Развернуть
Остановись мгновение. Часть 35.
1332

Самая крутая научная футболка

Развернуть
Самая крутая научная футболка
713

Евросеть как всегда

Развернуть
Евросеть как всегда
1823

Ты знаешь, что такое безумие?

Развернуть
Безумие - это многократное повторение одного и того же действия в ожидании разных результатов. Это самый горький молочный шоколад, который я когда либо ел.
Ты знаешь, что такое безумие?
883

Как я девушку домой проводил...

Развернуть
Дело было летом. Друг решил "подцепить" девушку, а моя задача была проста - увести подругу. На тот момент у меня была девушка, поэтому максимум, что я мог сделать - это поговорить с ней. План был такой, что когда они будут идти по домам, я "вызовусь" провести подругу домой, а Жека пойдет с девушкой. Ну, я пройдусь несколько метров в сторону ее дома, потом развернусь и пойду домой (идти нам было в разные стороны, а живет она у чёрта на рогах). Особо мы не общались, но суть этого разговора была такова:
Я: Какие книги ты любишь читать?
Д: Никакие, я фильмы люблю смотреть.
Я: А я - мультики.
Д: Вот! Именно поэтому девушки и умнее парней! 20 лет, а смотришь мультики. Не стыдно?
Я: Ну, они развивают мою детскую фантазию. А на счет того, кто умнее, то и среди нас и среди вас есть как и умные, так и не очень))
Д: так говорят только те, кто знает, что он тупее, но не хочет этого признать.
Я: Окей. Назови ученых женщин, кроме мадма Кюри. Ее все знают.
Д: Ну, я так сразу вспомнить не могу ...
Я: Вот смотри, Альберт Эйнштейн, его же все знают, да?
Д: Ну, да ...
Я: Классный был историк, правда? (Сказал это с улыбкой на лице, но было темно и она не увидела)
Д: Ну, да ...
Я: А чем конкретно он прославился, изучая историю?
Д (раздраженно): Знаешь, я историю плохо знаю, я лучше знаю физику ...
Занавес.
З.Ы. Никого не хотел обидеть, но хочу сказать, что не нужно ставить себя выше кого, ибо только тот, кто ничего не стоит, будет это делать.
Всем добра)^_^