Сергей Доронин - Квантовая магия
В целом, можно сказать, что квантовая теория изучает физические законы, которым подчиняются любые энергетические структуры (независимо от их размера и типа энергии). В настоящее время квантовая механика приступила к изучению физических процессов, в результате которых энергетические структуры возникают из нелокального состояния и уплотняются (декогеренция), а также обратных процессов — разуплотнения энергетических структур, перехода их в менее плотное состояние (возрастание квантовой запутанности), вплоть до полного «растворения» и потери своей внутренней структуры — чистого нелокального состояния. Особо подчеркну, что это не просто теоретизирование. То, что эти процессы действительно существуют в окружающем мире, подтверждается многочисленными физическими экспериментами, которые показывают адекватное соответствие теоретическим предсказаниям. Более того, эти процессы применяются на практике в технических устройствах, о чем уже неоднократно упоминалось.
Квантовая теория информации устанавливает связь между мерой квантовой запутанности и информацией. Это позволяет рассмотреть декогеренцию как процесс перехода Слова в его осязаемую форму. В терминах Кастанеды это относится и к физическому процессу, при котором наша мысль, команда, точнее, наше «намерение» становится «командой Орла» и реализуется в плотном мире. Кроме того, связь между энергией и квантовой информацией дает возможность сделать еще один вывод: все энергетические процессы связаны с процессами информационными, и на фундаментальном уровне Универсума, в нелокальном (нетварном) источнике Реальности все энергетические процессы в подсистемах сводятся к информационным. На фундаментальном уровне нет ничего, кроме квантовой информации, которая в процессе декогеренции проявляется в пространствах меньшей размерности в виде локальных объектов и тварных энергий.
Поскольку термин «энергия» будет часто встречаться в последующих главах, я попытаюсь пояснить, что же подразумевается под этим понятием в контексте этой книги. Тем, кто желает более подробно узнать, как из самых простых соображений в квантовой теории вводится понятие «энергия», могу порекомендовать прочесть первые главы курса «Статистической термодинамики» Ч. Киттеля. Этот курс интересен тем, что вся термодинамика здесь очень легко и достаточно строго выводится из простейшей квантовомеханической модели из (не взаимодействующих!) элементарных магнитиков с двумя ориентациями магнитного момента (вверх/вниз).
Но для начала — несколько слов об основах квантового подхода к описанию макроскопических процессов.
Как пишет Киттель в предисловии[70]: «Статистическая термодинамика представляется удивительно легким предметом, если при ее изучении придерживаться последовательной квантовомеханической точки зрения, в основе которой лежит понятие состояний всей системы, независимо от того, велика она или мала».
И далее, в начале первой главы: «В настоящее время мы знаем, что статистическую термодинамику легче изучать с позиций квантовой механики, чем на основе классической механики времен Гиббса. Это обстоятельство неудивительно, поскольку квантовая механика дает правильное описание природы, тогда как на атомном уровне описание в рамках классической механики является неполным. Только переведя принципы Гиббса на язык квантовой механики, мы приходим к ясному, последовательному и простому физическому обоснованию как термодинамики, так и статистической механики. В процессе такого перевода существенно использование только одного-единственного понятия квантовой механики, а именно — понятия о стационарном квантовом состоянии системы частиц».
В простейшей квантовомеханической модели из элементарных магнитиков состояние системы определяется заданием ориентации (вверх или вниз) каждого из них. И энергия системы определяется достаточно просто, исходя из ее состояния. Энергия выражается через следующую разность, которая в данном случае называется спиновым избытком:
(число спинов вверх) — (число спинов вниз) = спиновый избыток.
Например, состояние, в котором число спинов «вверх» равно числу спинов «вниз», имеет нулевую энергию (равномерное распределение энергии). Два состояния, в котором все спины направлены вверх (вниз), имеют максимальную энергию из всех возможных для данной системы.
Таким образом, энергия системы — это величина, которая характеризует отклонение системы от равновесного состояния. Отсюда — связь с классической физикой и всевозможными определениями энергии, которые в ней используются. Все они в основе своей содержат квантовомеханическое определение энергии и с классической точки зрения характеризуют работу, которую может совершить система при ее переходе к равновесному состоянию. Здесь мы видим естественный переход к понятию силы (градиента энергии), который совершает эту работу.
Отмечу, что вся классическая термодинамика выводится из простейшей квантовомеханической модели невзаимодействующих спинов, и остается возможность дальнейшего совершенствования этой модели. Очевидным становится то основное упрощение, следствием которого являются законы классической термодинамики. Поскольку не учитываются взаимодействия между частицами, из рассмотрения убираются несепарабельные состояния и нелокальные квантовые корреляции.
Курс статистической термодинамики Киттеля хорош еще и тем, что он на конкретном примере показывает высокую эффективность подхода квантовой механики к объяснению физических процессов в окружающей реальности. Замечу — любых процессов, в том числе макроскопических, поскольку в основе квантовомеханической точки зрения «лежит понятие состояний всей системы, независимо от того, велика она или мала».
Задать энергию как функцию состояния можно и без привязки к физике, а, скажем, для характеристики информационных процессов. К примеру, выразить ее через аналог «спинового избытка» (удобнее брать удвоенную разность между числом нулей и единиц в векторе состояния в двоичном базисе). Можно еще проще — как число единиц в векторе состояния. В частности, состояние из всех нулей |000…00ñ принять за минимальное значение энергии, тогда ортогональное ему состояние из всех единиц — состояние с максимальным значением энергии. А энергию для всех промежуточных состояний определять числом единиц, то есть энергия состояния |01100ñ равна 2, для состояния |10110ñ равна 3 и т. д. Здесь можно подумать о нормировке, о том, как удобнее ввести энергию, но суть остается — нужно как-то связать число нулей и единиц в векторе состояний с количественным значением энергии.
Такое определение энергии имеет и некоторый физический смысл: например, в случае передачи информации по каналу с шумом для «переворота» (искажения)одного символа требуется меньше энергии внешнего воздействия (шума), чем для «переворота» двух и более символов.
После этого можно говорить о градиенте энергии. Так, если есть два локальных объекта в исходном состоянии: |000…00ñ (один из них) и |111…11ñ — другой (каждое из этих состояний сепарабельное), и они приходят во взаимодействие, то градиент энергии между ними будет максимальный (перепад энергии максимально возможный, так как одна подсистема находится в состоянии с минимальной энергией, а другая — с максимально возможной энергией). Возникает поток энергии, который приводит всю систему в равновесие, и она перейдет, например, в суперпозиционное состояние (|000…00ñ + |111…11ñ) — несепарабельное, максимально запутанное и нелокальное. В квантовой теории оно называется кэт-состояние в память о шредингеровском коте, который находится в состоянии «ни жив, ни мертв».
Несколько слов об энтропии. Энтропия и энергия в физике неразрывно связаны друг с другом. При формальном определении энергии, скажем, как числа единиц в двоичном базисе можно эту связь установить для любых состояний (не только физических).
Энтропия по своему фундаментальному определению (в терминах состояний) — это логарифм от числа допустимых состояний системы.
Как говорит Киттель: «Это определение ошеломляет своей простотой: энтропия есть логарифм числа допустимых состояний системы. <…> Говорят, что энтропия служит мерой беспорядка в системе. Такое утверждение точно соответствует определению. Чем больше у системы допустимых состояний, тем больше энтропия».
