ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ИНФОРМАЦИЯ И ДИН АМИКА из "Динамика и информация " Со студенческих лет и на многие годы у меня сохранилась неудовлетворенность в отношении понимания квантовой механики. Возможно, эта неудовлетворенность была связана с тем, что я сам вкладывал в термин понимание несколько иной смысл, чем это общепринято. Для меня не было достаточным иметь только совершенный математический аппарат и умение использовать его для расчета любых конкретных физических процессов. За формулами я всегда пытался уловить нечто более глубинное, что можно было бы сложить в некоторое интуитивное понимание физики в целом. [c.7] Отсутствие четко сформулированного математического описания процессов измерения приводит к целому ряду трудностей, если не сказать, несуразностей. Прежде всего появляется странная для точной науки необходимость в интерпретации физического смысла волновой функции и самой квантовой механики. Более того, таких интерпретаций может быть несколько [3-5], хотя они и не очень сильно отличаются друг от друга. Далее, поскольку для измерения кажется необходимым присутствие наблюдателя, возникло много разных точек зрения по поводу роли наблюдателя. Если идти от микрообъекта к измерительному прибору, а затем — к наблюдателю, то на каждом шаге кажется естественным пользоваться квантовой физикой и прибор, и наблюдатель являются физическими системами, и поэтому не видно препятствий к описанию их посредством уравнения Шрёдингера для многих частиц. Но тогда возникает вопрос, где же происходит коллапс волновой функции к одной единственной собственной функции и соответственно коллапс физической величины к ее собственному значению и каким механизмом это коллапсирование осуществляется Можно, конечно, чисто формально считать, что сам наблюдатель в свою очередь кем-то наблюдается, например, другом Дайсона , но тогда второго наблюдателя также кто-то должен наблюдать и так до бесконечности. Картина, признаться, не очень привлекательная для физической науки. [c.8] Коллапс волновой функции сходен с коллапсом вероятностей. Если, например, на стол бросается кубик с занумерованными шестью гранями, то перед падением на стол каждая из граней имеет вероятность выпадения, равную 1/6. А после падения кубика верхняя грань получает вероятность, равную единице, а все остальные вероятности попросту уничтожаются. [c.9] В применении к квантовой теории принцип коллапсирования волновой функции частиц означает, что наряду с эволюционным развитием этой функции согласно уравнению Шрёдингера следует рассматривать процессы коллапса с уничтожением волновой функции в широкой области пространства, где данная частица отсутствует. Оба вида процессов имеют равные права на существование. Важно, что при наличии коллапсов волновую функцию следует считать случайной функцией. [c.9] Фейнмана в книге [7] Существует несколько проблем, связанных с интерпретацией, над которыми можно бьшо бы еще поработать... Одна из них — это доказать, что вероятностная интерпретация 1/-функции является единственной последовательной интерпретацией этой величины... Было бы интересно показать, что нельзя предложить никакого другого последовательного истолкования этой величины... [c.11] На самом деле не должно быть обычного разделения на наблюдаемое и наблюдателя, применяемого нами сейчас при анализе измерений в квантовой механике этот вопрос требует обстоятельного изучения . [c.11] В газе действительно сам собой, т.е. без участия наблюдателя, возникает процесс коллапсирования волновых функций атомов газа. Для каждого отдельного атома имеет место слабая неопределенность в энергии порядка 8е Й/т, где т — среднее время столкновений. Именно с такой точностью закон сохранения энергии справедлив для отдельного атома. Но для газа в целом закон сохранения энергии выполняется с гораздо более высокой точностью. В силу этого у каждого из коллапсов появляется очень слабая асимметрия порядка смещения волнового пакета на одну длину волны вдоль направления движения волнового пакета. Соответствующий эффект очень мал, но он может приводить к макроскопически наблюдаемым эффектам. В книге довольно подробно описан эффект Соколова, состоящий в самопроизвольной поляризации возбужденных атомов водорода при их пролете вблизи поверхности металла. Этот эффект объясняется коллапсами волновых функций свободных электронов проводимости в металле. [c.11] Поскольку волновой функции мы придаем информационный характер, приходится более подробно познакомиться с понятием информации. Информация, как обычно, вводится по Шеннону, а для выявления ее связи с энтропией используются тепловые микромашины Сцилларда [9]. Для описания классических измерений в терминах информационных процессов в книге вводится специальное понятие восприятия. [c.12] Хотя волновая функция и связана с информацией, она явно отличается от нее по своему физическому смыслу и содержанию. В отличие от необратимых процессов, связанных с временным изменением вероятностей, у волновой функции существует два вида эволюции обратимое изменение со временем согласно уравнению Шрёдингера и необратимые квантовые переходы или квантовые скачки при коллапсировании. Чтобы понять оба типа временной эволюции, удобно, следуя Ю. Орлову [10], воспользоваться соображениями о волновой логике . Для этой цели можно ввести понятие намерения , которое с легкостью воспринимается в применении к выбору альтернативных решений у человека, а в применении к квантовой теории оказывается легко совместимым с общими ее принципами. В частности, с точки зрения обратимых процессов смены намерений становится понятным, почему в формализме интегрирования по траекториям, предложенном Фейнманом [7], должны складываться именно амплитуды. Последовательность измерений и принятий решений оказывается характерной не только для мыслительной деятельности человека, но и для эволюции квантовых систем, находящихся в информационной связи с внешним Миром. Сосредоточимся на этом вопросе несколько более подробно. [c.12] На основании изложенного мы приходим к следующей общей картине. Мир в целом необратим, как необратимы любые его части, связанные с внешним окружением. Обратимость может существовать только в объектах, полностью изолированных от внешнего мира. Однако большая часть наших представлений была развита на основе анализа именно замкнутых систем. В частности, именно для замкнутых систем построен формализм ортодоксальной квантовой теории. При наличии даже очень малой связи с необратимым внешним миром (такую связь можно назвать информационной) поведение сложных квантовых систем может радикально отличаться от поведения замкнутых систем. Более конкретно — мы должны явно учитывать коллапсы волновых функций. Чем сложнее устроена квантовая система, тем большую роль в ней играют процессы коллапсирования. [c.13] Как уже упоминалось выше, коллапс волновых функций удобно описывать в терминах случайных функций, удовлетворяющих уравнению типа Ланжевена. Случайное влияние окружения, усиленное собственным динамическим хаосом, учитывается в таком уравнении двумя членами — регулярным затуханием и случайным рождением новых волновых пакетов. Образно говоря, уже на уровне микромира мы встречаемся с рождением и постепенным угасанием волновых пакетов или волновых функций. Другими словами, жизнь начинается с микромира, а затем она может многократно усиливаться и расширяться в открытых биологических системах. [c.14] Все мы привыкли к тому, что основные разделы физики построены на принципах динамики. Все начинается с механики материальной точки и с законов Ньютона, которые вводят основные динамические понятия массу, скорость, импульс и силу. Теоретическая механика всего лишь оформляет элементарные законы механики в более пышные одежды дифференциальных уравнений и вариационных принципов. На базе простейших законов движения материальной точки строятся более сложные уравнения движения сплошных сред газов, жидкостей и упругих тел. Здесь впервые появляются непрерывные функции координат и времени, играющие роль полей, хотя собственно полями принято считать поля в вакууме, например электромагнитное поле. Уравнения для полей — это тоже уравнения динамики. Термодинамика только на первый взгляд кажется феноменологической наукой, а в действительности она может быть построена на базе статистической физики, представляющей собой лишь специфическую разновидность динамики. Тот факт, что физика строится на принципах динамики, проявляется и в основных физических единицах измерения (например, сантиметр, грамм, секунда), которые изначально вводятся в механике материальной точки, а затем переносятся в другие, более сложные разделы физики. [c.15] совсем не похожее на динамику, появляется в квантовой теории при интерпретации квадрата волновой функции как соответствующей вероятности. Вероятность здесь выходит на первый план как существенный элемент теории, и до сих пор не прекращаются дискуссии о смысле волновой функции и описываемой ею эволюции вероятностей наблюдения за той или иной физической величиной. Вслед за Эйнштейном хотелось бы считать, что квантовая вероятность соответствует неполноте описания микрообъекта и что может существовать более точная теория, которая объяснит случайность наблюдаемых величин на базе динамики некоторых скрытых параметров. Однако в последние годы было убедительно показано, что локального реализма (т.е. локальных скрытых параметров) нет. Следовательно, квантовая вероятность, как это подчеркивалось Н. Бором, носит более глубокий характер, она придает волновой функции своеобразные черты, имеющие информационный смысл. [c.15] Сигнал о значении измеряемой величины может быть сколь угодно мал. Сигнал управления также может быть очень мал, если он подается на достаточно мощный усилитель. [c.16] Таким образом, для управления важна не величина сигнала, а его форма, т.е. смысловое содержание. Можно сказать, что при взаимодействии автоматов важен не столько обмен энергией, сколько обмен символами (т.е. сигналами). [c.16] Но эти утверждения относятся не только к искусственно созданным автоматам, но и к естественным физическим системам, находящимся на границе устойчивости. Малые сигналы, действующие на такие системы, могут приводить к существенным последствиям. Речь фактически идет об открытых физических системах, через которые могут протекать больпше потоки энергии. Такие системы, будучи сильно неравновесными, обнаруживают сложное динамическое поведение. Их обычно так и называют — сложные физические системы. [c.16] Для описания сложных физических систем оба аспекта — динамический и информационный — могут играть одинаково важную роль. Мы приходим к проблеме совместного воздействия на систему сил и информации в условиях сильного отклонения от термодинамического равновесия. Оказывается, что игра нелинейных динамических процессов в таких системах очень часто приводит к самоорганизации, когда как динамическое, так и информационное содержание процесса оказываются согласованными с большой точностью и складываются в единый организм . [c.16] Список литературы, к сожалению, никак не может претендовать на полноту в нем приведены ссылки только на те статьи и книги, которые естественно возникали по мере изложения. Извинением мне служит лишь то обстоятельство, что и само изложение не является очень строгим и обстоятельным. [c.17] Вернуться к основной статье