# Как информационный подход Антона Цайлингера объясняет квантовые парадоксы

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=v-aP1J-BdvE
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 01.06.2022

---

Действительно ли физика описывает объективную реальность, или она лишь систематизирует наши знания о ней? В новом выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий исследует информационную интерпретацию квантовой механики, предложенную выдающимися физиками от Нильса Бора до Антона Цайлингера. Автор анализирует, как замена физических «кирпичиков» Вселенной на информационные биты позволяет естественно и элегантно объяснить самые загадочные квантовые феномены.

## 🌐 Физика как модель опыта, а не реальности
[[JUMP:0:00]]

Нильс Бор однажды заметил, что неверно думать, будто задача физики — выяснить, как устроена природа; физика касается того, что мы можем сказать о природе. Законы природы, которые человечество формулирует математически, представляют собой лишь рабочие модели. Никому не нужно физически решать уравнение Шрёдингера, чтобы электрон выполнял свои функции в пространстве.

По мнению Вернера Гейзенберга, ближайшего коллеги Бора, законы природы, математически сформулированные в квантовой теории, имеют дело уже не с самими элементарными частицами, а с нашими знаниями о них. На основе этого ведущий канала PBS Space Time делает вывод, что законы физики не управляют реальностью напрямую и даже не являются ее прямыми моделями. Они моделируют наш опыт восприятия реальности и структурируют поступающую информацию о мире.

## 🪙 От физических частиц к информационным битам
[[JUMP:1:32]]

В рамках информационных интерпретаций квантовой механики физик Джон Арчибальд Уилер в свое время выдвинул радикальную концепцию «всё из бита» (it from bit). Уилер предполагал, что информация является фундаментальной основой бытия, порождающей физические объекты. По его мнению, глубочайшая суть существования кроется в отношениях между наблюдателем и наблюдаемым, хотя он подчеркивал, что наблюдатель в данном контексте не обязательно должен обладать сознанием.

Современный физик Антон Цайлингер предложил альтернативный информационный подход, в котором мир предлагается делить не на физические элементы, а на информационные составляющие. Цайлингер называет элементарные утверждения о знаниях (например, о положении, массе или скорости частицы) «пропозициями». Пропозиция — это ответ на конкретный вопрос, который мы можем задать миру.

Согласно теории Цайлингера, квантовая система представляет собой просто коллекцию таких пропозиций. Она отражает наши знания о мире, а не сам мир. Самым мелким информационным блоком становится ответ на вопрос с минимальным количеством исходов — бинарный вопрос «да/нет». По утверждению Цайлингера, любую квантовую систему можно разложить на результаты таких бинарных вопросов. Из этого допущения удивительным образом выводятся такие феномены, как квантовая запутанность, неопределенность и принцип Гейзенберга.

## 🔄 Квантовый спин и природа неопределенности
[[JUMP:5:06]]

Идея о том, что элементарная квантовая система содержит ровно один бит информации, наглядно объясняет квантовую индетерминированность. В качестве примера автор видео предлагает рассмотреть квантовый спин электрона, который физически часто представляют как ориентацию оси вращения частицы «вверх» или «вниз». С информационной точки зрения система является ответом на вопрос: «Направлен ли спин вверх или вниз относительно оси измерения?». Для этого используется аппарат Штерна — Герлаха.

Если спин электрона заранее подготовлен в направлении «вверх», система содержит ровно один бит информации. Но что произойдет, если повернуть аппарат на 90 градусов и спросить электрон: «Твой спин направлен влево или вправо?».

По определению Цайлингера, один бит — это весь информационный лимит элементарной системы спина. Это значит, что ориентация «влево/вправо» изначально не определена и находится в состоянии суперпозиции. При прохождении через горизонтальный аппарат электрон демонстрирует равные шансы отклониться влево или вправо. Его спин выбирает траекторию абсолютно случайно, поскольку система не содержала информации на этот счет.

После измерения ориентация «влево/вправо» становится определенной — электрону пришлось сформировать ответ. Однако теперь единственный доступный бит информации израсходован, и значение «вверх/вниз» автоматически становится неопределенным. Анализируя то, как квантовая информация должна меняться со временем, Цайлингер смог математически вывести эквивалент уравнения Шрёдингера.

## 🔗 Квантовая запутанность как распределение информации
[[JUMP:7:04]]

Феномен квантовой запутанности также органично объясняется через дефицит информации. Пара электронов может быть подготовлена так, чтобы их спины были строго противоположны друг другу. В таком сценарии единственный бит информации каждого электрона тратится исключительно на описание его взаимосвязи с партнером.

Информация больше не локализована в конкретной частице, а нелокально распределена между ними. Два электрона содержат два бита информации, но они размыты в пространстве. Измеряя спин одного из них, наблюдатель мгновенно узнает состояние второго. 

По словам ведущего, в момент измерения распределенная информация принудительно становится локальной для каждой частицы. Со стороны это кажется мгновенной передачей сигнала на расстояние — тем, что Эйнштейн называл «жутким дальнодействием».

## 📊 Энтропийная неопределенность и дуализм волна-частица
[[JUMP:8:50]]

Применение инструментов теории информации позволяет вывести более строгие соотношения, чем классический принцип неопределенности Гейзенберга. Физики используют концепцию шенноновской энтропии — меры количества вопросов «да/нет», необходимых для полного извлечения информации из системы. Полученная «энтропийная неопределенность» помогла объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма.

В 2014 году группа исследователей применила энтропийную неопределенность к знаменитому эксперименту Уилера с отложенным выбором. В этом опыте фотон ведет себя как волна или как частица в зависимости от вопроса, который ему задают с помощью прибора. Если фотон — волна, он проходит оба пути одновременно; если частица — только один.

Ученые пришли к выводу, что волновая функция фотона содержит информацию, достаточную для ответа только на один из двух взаимодополняющих вопросов. Она может сказать, по какому пути пошел фотон, либо показать его фазу через интерференционную картину, но не то и другое вместе. Таким образом, дуализм волна-частица возникает из ограниченности информационного объема волновой функции, которая физически не способна одновременно ответить на вопросы «Ты волна?» и «Ты частица?».

## 🌙 Существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?
[[JUMP:11:18]]

Если волновая функция описывает не физическую реальность, а лишь динамику изменения наших знаний, возникает резонный философский вопрос: чья именно это информация? Подобная субъективность глубоко тревожила Альберта Эйнштейна. Он иронически спрашивал коллег, действительно ли они верят, что Луна существует только тогда, когда на нее кто-то смотрит.

На это Нильс Бор, Джон Уилер и Антон Цайлингер ответили бы однозначно: вы не можете доказать обратного. Процесс познания чего-либо метафизически требует наличия наблюдателя, который приобретает это знание. Мы принципиально не можем доказать существование объективного мира, независимого от наблюдателя. Как констатирует ведущий канала PBS Space Time, парадоксы квантового мира становятся намного логичнее, если принять, что наш единственный прямой опыт взаимодействия со Вселенной ограничен исключительно информационным пространством.

## 🌌 Космический каннибализм и звездные столкновения
[[JUMP:13:30]]

Во второй части программы ведущий традиционно разобрал вопросы аудитории к прошлым выпускам.

Что происходит со сверхмассивными черными дырами поглощенных Млечным Путем галактик?
По словам автора видео, центральная черная дыра нашей Галактики со временем попросту съедает их. Оказавшись в гравитационном колодце Млечного Пути, поглощенная черная дыра взаимодействует с окружающими звездами, выталкивая их на более высокие орбиты. Сама же она из-за эффекта динамического трения теряет скорость, спиралевидно смещается к центру и в конечном итоге сливается со сверхмассивной черной дырой Млечного Пути, что является основным фактором роста таких объектов.

Как межгалактические слияния влияют на галактогенную обитаемую зону?
Зритель Эрик Зиак предположил, что эта зона устроена сложнее, чем просто статичное кольцо на диске. Ведущий согласился, напомнив, что Солнце в процессе своего движения каждые 100 миллионов лет заходит в спиральные рукава галактики и выходит из них, а также совершает колебания выше и ниже плоскости диска. Жизнь на Земле существует миллиарды лет и успешно перенесла эти путешествия, хотя циклы массовых вымираний вполне могут коррелировать с прохождением планеты через наиболее радиационно опасные регионы.

Какова вероятность физического столкновения звезд при слиянии Млечного Пути и Андромеды?
Давид Коса поинтересовался реальной угрозой столкновения объектов. Автор видео успокоил зрителей: космос невероятно пуст. Диаметр звезд измеряется световыми секундами, в то время как расстояния между ними составляют световые годы. По расчетам астрофизиков, из триллиона звезд, которые примут участие в будущем слиянии Млечного Пути и Андромеды, ожидается всего лишь одно прямое столкновение.

При этом характер столкновения определяет судьбу объектов:

* Касательные столкновения приводят к слиянию звезд, их укрупнению и омоложению, поскольку в их ядра поступает свежий водород (именно так, предположительно, формируются аномально яркие голубые отстающие звезды в шаровых скоплениях).
* Лобовые столкновения действуют разрушительно: если компактная звезда (например, белый карлик или нейтронная звезда) пробивает диффузную гигантскую звезду, это резко ускоряет термоядерный синтез в ядре последней, заставляя ее буквально разлететься на куски.

## 🦣 Курьез с мамонтом и почему Вселенная не может сжиматься
[[JUMP:16:49]]

В финале ведущий признался в забавной психологической слабости: иногда в ответ на серьезные вопросы у него возникает непреодолимый соблазн выдать правдоподобную чепуху ради шутки. Работая в Американском музее естественной истории (AMNH), он неоднократно убеждал посетителей, стоящих у огромного скелета мамонта, что расположенная рядом миниатюрная бронзовая модель — это скелет реально существовавшего «карликового мамонта». Ведущий всегда разоблачал свой обман секундами позже, но сама шутка подтолкнула его к обсуждению важной физической гипотезы.

Зрители часто спрашивают: почему принято считать, что пространство Вселенной расширяется, а не вся материя внутри нее пропорционально уменьшается (сжимается)? С точки зрения геометрии и относительных масштабов расстояний обе картины абсолютно идентичны. Однако ведущий привел три строгих научных аргумента, почему модель сжимающейся материи неверна:

1. Чтобы материя сжималась, фундаментальные константы всех физических взаимодействий (гравитационных, электромагнитных, ядерных) должны были бы скоординировано меняться во времени, тогда как общая теория относительности требует изменения метрики исключительно самого пространства.
2. В сценарии со сжимающимися галактиками полностью отсутствовало бы космологическое красное смещение, поскольку летящие к нам сквозь космос фотоны физически не испытывали бы растяжения.
3. Наконец, в уменьшающейся вселенной ученые бы действительно зафиксировали существование карликовых мамонтов, однако палеонтология упрямо демонстрирует нам гигантских существ, что в полной мере согласуется с классической моделью расширяющегося пространства.