Kvantefysik og Matrix: hvorfor verden er mærkelig, men det betyder stadig ikke, at den er virtuel

Det mest populære argument lyder sådan her:

I kvantefysikken har en partikel ikke en nøjagtig tilstand, før den er målt. Dette betyder, at universet er som et computerspil: indtil spilleren ser på objektet, gengiver spillet det ikke. Og da jeg kiggede, dukkede objektet op.

Ved første øjekast ser det sådan ud. I spillet er der heller ingen mening i at beregne hvert enkelt græsstrå bag spillerens ryg. Motoren sparer ressourcer. Det viser kun, hvad der er brug for nu.

Men med kvantefysikken er problemet dybere. Hun siger ikke: “Verden tegnes ikke, før en person har kigget.” Hun siger noget andet:

Verden er ikke struktureret som et sæt af almindelige objekter med forudindspillede egenskaber.

Det er meget mærkeligere og meget mere alvorligt.

1. Forestil dig en almindelig genstand

Lad os tage en kop på bordet.

Selvom vi vender os væk, er vi sikre på, at koppen stadig er på bordet. Det har farve, form, masse, position. Vi ser måske ikke på det, men ejendommene forsvinder ingen steder.

Hvis verden var et almindeligt computerspil, kunne koppen også skrives i hukommelsen sådan her:

objekt: kop farve: hvid position: bord vægt: 300 gram stand: stående

Det vil sige, at objektet har et kort. Vi åbner det muligvis ikke, men dataene er allerede registreret.

Den naive idé om Matrix er noget som dette: hvert objekt har en skjult indgang i databasen. Det er bare, at simulatoren ikke altid viser det til iagttageren.

Sådan fungerer det ikke med kvanteobjekter.

2. En elektron er ikke en lille kop

Fejlen begynder, hvor vi forestiller os elektronen som en lille kugle.

Det er, som om en elektron blot er et meget lille støvkorn, der har en præcis position, hastighed, rotationsretning og andre egenskaber. Vi har bare ikke målt alt endnu.

Men kvantemekanikken siger: nej, det er et dårligt billede.

Elektronen har ikke det fulde sæt af klassiske egenskaber i stil med:

position: her hastighed: sådan og sådan spin: op bane: gennem venstre spalte

Før måling kan vi ikke altid sige, at disse værdier allerede var registreret et sted, vi kendte dem bare ikke.

Det er ikke fordi enheden er dårlig. Og ikke fordi personen ved lidt. Men fordi selve naturen af ​​et kvanteobjekt ikke er den samme som en kops.

Det er her, den virkelige underlighed begynder.

3. Hvad betyder det “en partikel har ingen egenskab før måling”

Det lyder mystisk, men det kan forklares mere enkelt.

Forestil dig, at du har en person, som du kan stille forskellige spørgsmål til. Men svarene afhænger ikke kun af personen, men af ​​personen hvilket sæt spørgsmål stiller du på samme tid?.

I den almindelige verden ville dette virke absurd. For eksempel:

• hvis du bare spørger “hvor gammel er du?”, svarer han 30;
• hvis du spørger “hvor gammel er du?” sammen med et andet spørgsmål bliver svaret pludselig ikke det samme;
• og det er umuligt at lave ét spørgeskema, hvor alle svarene på alle mulige spørgsmål er skrevet ned på forhånd.

For den gennemsnitlige person er dette latterligt. Men for kvantesystemer er det nogenlunde sådan, målinger fungerer.

Det hedder kontekstualitet.

Nede på jorden:

Resultatet afhænger ikke kun af objektet, men også af målemetoden.

Og dette er ikke en psykologisk effekt, ikke en enhedsfejl og ikke “bevidsthedens magi.” Dette er en testbar egenskab ved kvantefysikken.

4. Hvorfor forstyrrer dette ideen om Matrix?

Fordi en simpel Matrix antager en database.

Der er en genstand. Det har skjulte egenskaber. Når observatøren kigger, trækker simulatoren blot den ønskede værdi ud.

Men kvantekontekstualitet siger: du kan ikke forestille dig verden som en tabel, hvor alle svarene allerede er skrevet ned på forhånd.

Det vil sige, problemet er ikke, at “simulatoren skjuler data.” Problemet er det sådanne klassiske data er slet ikke tilgængelige i færdig form.

Dette er en vigtig sondring.

Dårlig version:

Egenskaberne er der, men universet viser dem ikke.

Mere præcis version:

Nogle egenskaber eksisterer ikke som almindelige forudregistrerede værdier, før en specifik fysisk måling finder sted.

Dette gør ikke verden virtuel. Men det gør det anderledes end det klassiske spil.

5. Hvad gør måling så?

Måling er ikke, når en person ser med øjnene.

I fysik er en måling, når et kvantesystem fysisk interagerer med noget andet på en måde, der efterlader et spor.

For eksempel:

• fotonen rammer detektoren;
• elektronen interagerede med enheden;
• et molekyle kolliderer med et andet molekyle;
• genstanden udvekslede varme med omgivelserne;
• partiklen efterlod et mærke i kammeret.

Det vil sige, at “observatøren” i fysik ikke nødvendigvis er en person. Det kunne være en enhed, et atom, en foton, luft eller en laboratorievæg.

Derfor er sætningen “observatøren skaber virkeligheden” meget farlig. I populærkultur forstås det som følger:

manden så – verden dukkede op.

Men i fysik er betydningen anderledes:

systemet trådte i interaktion – kvantetilstanden blev en del af et større fysisk system.

Bevidsthed er ikke nødvendig her.

6. Hvorfor ser makrokosmos normalt ud?

Hvis kvanteverdenen er så mærkelig, hvorfor opfører borde, kopper og mennesker sig så normalt?

Svar: på grund af usammenhæng.

Kompliceret ord, men simpel idé.

Kvantetilstanden er meget skrøbelig. For at et objekt kan opføre sig “kvantestil”, skal det være stærkt isoleret. Men almindelige genstande interagerer konstant med miljøet:

• lys falder på dem;
• de udstråler varme;
• kolliderer med luftmolekyler;
• vibrere;
• udveksle energi med miljøet.

På grund af dette spredes kvante-“subtilitet” meget hurtigt over mediet. For os begynder objektet at se almindeligt, klassisk ud.

Dette er dekohærens.

Meget uhøfligt:

Kvantemærkelighed forsvinder ikke på magisk vis, men overdøves af et stort antal interaktioner med miljøet.

Derfor er koppen på bordet ikke i en superposition “både her og der”, som er mærkbar for os. Hun er for forbundet med omverdenen.

7. Hvorfor er dette ikke “menneskelig gengivelse”

Fordi makroverdenen bliver klassisk, ikke når en person kigger, men meget tidligere.

Koppen venter ikke på dit blik. Det har allerede interageret milliarder af gange med fotoner, luft, et bord og termisk stråling. Dens tilstand har længe været “registreret” i miljøet.

For at bruge en spilanalogi siger den populære Matrix:

afspilleren drejede kameraet – motoren tegnede objektet.

Men fysikken siger mere som dette:

objektet interagerer konstant med alt omkring det, og det er derfor, det opfører sig stabilt.

Это не похоже на экономию ресурсов. Это похоже на гигантскую сеть физических следов.

8. Dobbeltspalteeksperiment uden mystik

Lad os nu tage det berømte dobbeltspalte-eksperiment.

Hvis en partikel flyver gennem to spalter, kan den opføre sig som en bølge: et interferensmønster vises på skærmen. Det er, som om partiklen ikke passerede gennem én spalte, men gennem begge muligheder på én gang.

Men hvis du sætter enheden i og finder ud af, hvilken spalte den gik igennem, forsvinder interferensen. Partiklen begynder at opføre sig mere “delvis”.

Populær konklusion:

partiklen indså, at den blev overvåget.

Men det er en dårlig formulering.

Bedre sådan her:

når vi modtager stiinformation, ændrer vi fysisk hele målesituationen. Systemet er ikke længere i samme kvantetilstand.

Det er ikke menneskelig viden i sig selv, der bryder forstyrrelsen. Det er brudt af den fysiske evne til at skelne en vej fra en anden.

Det er subtilt, men vigtigt.

9. Quantum Eraser ændrer ikke fortiden

Kvanteviskelæderet lyder endnu mere underligt. Der kan du synes at “slette” information om en partikels vej, efter at den allerede er blevet registreret. Og så ser interferensen ud til at “vende tilbage”.

Det er her myten kommer fra:

fremtiden har ændret fortiden.

Men det er ikke sandt.

Faktisk er interferensen ikke rekonstrueret som et simpelt billede på én skærm. Det er kun synligt, hvis du derefter sammenligner relaterede hændelser korrekt og sorterer dataene.

Det vil sige, at ingen omskriver fortiden. Dette sker ikke:

partiklen passerede fra venstre, så besluttede forsøgslederen noget andet; Universet ændrede log: partiklen passerede som en bølge

Mere korrekt:

et kvantesystem beskrives ikke af en klassisk bane, men af ​​et sæt korrelationer. Når vi ændrer, hvilken information der er tilgængelig, ændrer det, hvilke sammenhænge vi kan identificere.

Dette er ikke “serverens omskrevne historie.” Det er “vi har forkert forestillet os historien som vejen til en lille bold.”

10. Hvorfor “verden som et spil” er en for simpel metafor

Computerspillet arbejder med objekter.

Der er en karakter. Der er en mur. Der er et træ. Der er koordinater. Hvis objektet er langt væk, kan det forenkles eller ikke tegnes.

Men kvanteverdenen er ikke bare “ikke gengivet”. Det er ikke designet som et sæt af almindelige objekter med færdige egenskaber.

Derfor bryder analogien med spillet sammen.

I spillet bliver træet bag spilleren muligvis ikke gengivet, men motorens hukommelse indeholder stadig dens grundlæggende parametre.

I kvantemekanikken er nogle parametre ikke bare “skjulte”. De eksisterer ikke som forudbestemte klassiske værdier forud for målekonteksten.

Det er meget mere radikalt.

11. Hvad Bells eksperimenter viste med enkle ord

Einstein kunne ikke lide tanken om, at kvanteverdenen var fundamentalt usikker. Det forekom ham, at der bag kvantemekanikken måtte være en dybere, mere normal teori.

Måske modtager partiklerne simpelthen skjulte instruktioner på forhånd. Vi kender ikke disse instruktioner, så vi ser tilfældigheder. Men i virkeligheden er alt sikkert.

For eksempel flyver to sammenfiltrede partikler fra hinanden i hver sin retning. Man kan forestille sig, at de “aftalte” på forhånd:

hvis de måler mig sådan, vil jeg svare sådan; hvis ellers, vil jeg svare anderledes.

Bell fandt på en måde at teste, om et sådant billede var muligt.

Eksperimenter har vist: nej, sådan et simpelt lokalbillede virker ikke.

Endnu en gang: det betyder ikke, at information rejser hurtigere end lys. Det betyder, at verden ikke kan forklares som et sæt forudskrevne lokale instruktioner.

Dette er et problem for Matrix, fordi den almindelige computerverden er ligesom et sæt af sådanne instruktioner.

12. Hvorfor kan du ikke sige “det betyder, at det bestemt er en simulering”

Fordi verdens mærkelighed ikke betyder, at den er kunstig.

Dette er en logisk fejlslutning.

Eksempel:

“Lyn er mærkeligt og forfærdeligt, hvilket betyder, at det er kastet af Gud.”

Sådan har folk måske tænkt før. Så viste det sig, at lyn er en elektrisk udladning.

Der er en lignende fare med kvantefysik. Vi ser noget mærkeligt og vil straks sige:

ja, så det er koden.

Men kode beviser ikke noget underligt. Det beviser kun, at vores gamle billede af verden var for simpelt.

Kvantemekanik kan være virkelighedens grundlæggende natur snarere end et træk ved en ekstern computer.

13. Hvad med “space pixels”

En anden populær idé:

hvis verden bliver simuleret, skal den have pixels.

I fysik er dette oversat til sproget i det diskrete rum. Hvis rummet består af små celler, kan dette påvirke lysets bevægelse, især meget energisk lys fra fjerne kosmiske begivenheder.

For eksempel kunne fotoner af forskellige energier ankomme med forskellige forsinkelser. Eller lysets polarisering kan ændre sig lidt over milliarder af års rejser.

Fysikere tjekker dette ved hjælp af gammastråleudbrud og kosmiske stråler.

Indtil videre er der ikke fundet nogle simple tegn på sådan et pixelgitter. Dette svækker i høj grad ideen om “en verden som Minecraft på et Planck-gitter.”

Men du kan ikke gå for langt her. Dette betyder ikke, at rummet er nøjagtigt kontinuerligt i enhver forstand. Måske er der en anden form for diskrethed i kvantetyngdekraften, ikke som pixels på en skærm.

Det vil sige:

et simpelt pixelgitter er dårligt; enhver dyb kvantestruktur i rummet er et åbent spørgsmål.

14. Hvad er det holografiske princip uden en “skærm”

Ordet “holografisk” er forvirrende. Folk hører “hologram” og forestiller sig et billede, en projektion, en skærm.

Men i fysik er meningen en anden.

Det holografiske princip siger: i nogle teorier kan al information om et rumligt volumen beskrives gennem grænsen for dette volumen.

Groft sagt: det er ikke nødvendigt at gemme “hvert punkt inde i rummet” som en separat post. Nogle gange kan fysikken i et volumen beskrives i form af data på dets overflade.

This is a very deep idea. Det er relateret til sorte huller, entropi, kvantetyngdekraft og AdS/CFT.

Men dette betyder ikke:

vi lever på skærmen.

Det betyder:

rummets fysik kan have en informativ beskrivelse på tværs af grænsen.

Forskellen er enorm.

“Informationsbeskrivelse” er ikke det samme som “computersimulering”.

Bykortet er information om byen. Men byen er ikke inde på kortet.

15. Hvorfor lavede Google ikke et rigtigt ormehul?

Da der dukkede nyheder op om Googles kvanteprocessor og “ormehullet”, tænkte mange: jamen, fysikere har skabt en portal, som betyder, at rum er kode.

Faktisk var det anderledes.

Forskere har simuleret et særligt kvantesystem ved hjælp af en kvanteprocessor. Inden for rammerne af matematisk dualitet kan dens adfærd beskrives i et ormehuls sprog.

Men der dukkede ikke noget rigtigt hul op i rummet.

Det er ligesom en vejrsimulator. Hvis en computer simulerer en orkan, opstår der ingen reel vind inde i computeren. Hvis en kvanteprocessor modellerer et system, der matematisk ligner et ormehul, betyder det ikke, at der er dukket et rigtigt ormehul op i laboratoriet.

Dette er en vigtig lektie: ordet “simulering” i fysik betyder ofte “simulering”, ikke “vi selv lever i en kunstig verden.”

16. Hvorfor det ville være svært for en klassisk computer at simulere vores verden

Nu det mest praktiske spørgsmål:

kan en almindelig supercomputer beregne vores kvanteverden?

Problemet er, at kvantesystemer bliver sindssygt komplekse meget hurtigt.

For flere partikler kan du stadig tælle. For hundredvis er det allerede et mareridt. For makrokosmos er det næsten umuligt på sædvanlig vis.

Dette er ikke kun et spørgsmål om “brug for en mere kraftfuld computer.” Kompleksiteten stiger eksponentielt. I nogle problemer støder klassisk beregning ind i fundamentale barrierer, for eksempel tegnproblemet.

Nede på jorden:

For ærligt at gemme tilstanden af ​​et stort kvantesystem på en klassisk computer, kan hukommelse og tid kræve mere hukommelse og tid, end der er fysisk tilgængeligt i universet.

Men igen, vær forsigtig: dette beviser ikke, at simulering slet ikke kan eksistere.

Dette beviser kun:

den sædvanlige klassiske Matrix ser ekstremt usandsynlig ud ved brug af almindelig logik.

Hvis den eksterne “computer” i sig selv er kvante eller af en fuldstændig ukendt karakter, lukker dette argument ikke længere spørgsmålet.

Men så bliver hypotesen næsten uprøvelig.

17. Hvorfor “universets kvantecomputer” ikke længere er Matrixen

Du kan sige:

ok, lad simulatoren ikke være klassisk, men kvante.

Så er mange problemer fjernet. En kvantecomputer beskæftiger sig naturligvis med superpositioner og sammenfiltring. Han behøver ikke at foregive at være kvante ved hjælp af klassiske tabeller.

Men så opstår et andet spørgsmål:

og hvordan adskiller sådan en “simulering” sig fra blot et andet niveau af fysisk virkelighed

Hvis omverdenen er kvante, er substratet kvante, lovene er kvante, og vi er inde i en kvanteproces – dette ligner ikke længere et computerspil. Det er mere en filosofisk idé om indlejrede niveauer af virkelighed.

Det er muligt som en tanke. Men det er meget svært at bevise det fysisk.

18. Hvor er Bostrom, og hvor er fysik

Bostroms argument handler ikke om elektroner, fotoner og gammastråleudbrud. Dette er en filosofisk mulighed.

Han siger noget som dette:

Hvis fremtidige civilisationer kan køre mange simuleringer af forfædre, så kan der være flere simulerede bevidstheder end “rigtige” bevidstheder. Så har vi en chance for at være inde i simuleringen.

Dette er et interessant argument. Men det afhænger af et stort antal antagelser:

• er det overhovedet muligt at simulere bevidsthed;
• om civilisationer vil gøre dette;
• er der ressourcer nok?
• om simulerede væsener kan betragtes som observatører på samme måde;
• Hvad er bevidsthed i fysisk forstand?

Kvantefysik beviser ikke Bostrom. Hun siger kun: hvis sådan en simulering findes, må den være meget mere kompleks end et almindeligt VR-spil.

19. Den korteste essens

Hvis det virkelig er nede på jorden:

Matrix version: verden er et spil, objekter indlæses, når de bliver set på.

Hvad siger fysikken: nej, kvanteverdenen er ikke bare “ikke loaded”. Den består slet ikke af de sædvanlige præfabrikerede egenskaber.

Matrix version: Hver partikel har skjulte parametre i databasen.

Hvad siger fysikken: Bells eksperimenter og kontekstualitet viser, at sådan en simpel database ikke virker.

Matrix version: den menneskelige iagttager skaber virkeligheden.

Hvad siger fysikken: “observatør” er enhver fysisk interaktion. Bevidsthed er ikke nødvendig.

Matrix version: Quantum viskelæder ændrer fortiden.

Hvad siger fysikken: fortiden er ikke omskrevet; det er bare, at kvantesystemet ikke havde en klassisk bane i vores sædvanlige forstand.

Matrix version: holografi betyder, at vi er på skærmen.

Hvad siger fysikken: holografi betyder, at beskrivelsen af ​​bindet kan relateres til beskrivelsen ved grænsen. Dette er ikke en skærm.

Matrix version: hvis verden er mærkelig, så er den virtuel.

Hvad siger fysikken: hvis verden er mærkelig, så er vores klassiske intuition utilstrækkelig.

20. Slutkonklusion i enkle ord

Kvantefysikken beviser ikke, at vi lever i en simulation.

Det beviser, at verden ikke er som en almindelig materiel scene, hvor hvert objekt har alle sine egenskaber på forhånd, og vi simpelthen opdager dem.

Men det ligner heller ikke et almindeligt computerspil.

Hvis universet var et spil, skulle det have forståelige elementer: pixels, skjulte koordinater, en global database med objekter, on-demand-gengivelse. Moderne fysik viser, at et sådant billede er for groft.

Verden opfører sig ikke som et klassisk spil. Det opfører sig som et kvantesystem: egenskaber afhænger af måling, objekter bliver viklet ind, information spredes i miljøet, og rumtid kan have dybe informationsbegrænsninger.

Så den ærlige konklusion er:

Vi har ikke bevist, at verden er virtuel. Vi har bevist, at verden er meget mindre “almindelig”, end den ser ud til.

Og hvis det nogensinde kan beskrives som en beregning, vil det ikke være et computerspil, men noget meget mærkeligere: en kvanteinformationsstruktur, for hvilken ordet “simulering” kun er en grov metafor.