• Перевод

По словам Оуэна Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но словами ничего не докажешь. «Если мы рассказываем общественности, что квантовая теория очень странная, нам необходимо проверить это утверждение экспериментально,- говорит Маруни. – А иначе мы не наукой занимаемся, а рассказываем про всякие закорючки на доске».

Именно это навело Маруни сотоварищи на мысль разработать новую серию экспериментов для раскрытия сути волновой функции – загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге, волновая функция – просто математический объект, обозначаемый буквой пси (Ψ) (одна из тех самых закорючек), и используется для описания квантового поведения частиц. В зависимости от эксперимента, волновая функция позволяет учёным вычислять вероятность наблюдения электрона в каком-то конкретном месте, или шансы того, что его спин ориентирован вверх или вниз. Но математика не говорит о том, что на самом деле такое волновая функция. Это нечто физическое? Или просто вычислительный инструмент, позволяющий работать с невежественностью наблюдателя касательно реального мира?

Использованные для ответа на вопрос тесты очень тонкие, и им всё ещё предстоит выдать однозначный ответ. Но исследователи оптимистичны в том, что развязка близка. И им, наконец, удастся ответить на вопросы, мучавшие всех десятки лет. Может ли частица реально быть во многих местах одновременно? Делится ли Вселенная постоянно на параллельные миры, в каждом из которых существует наша альтернативная версия? Существует ли вообще нечто под названием «объективная реальность»?

«Такие вопросы рано или поздно появляются у любого»,- говорит Алессандро Федриччи, физик из Квинслендского университета (Австралия). «Что на самом деле реально?»

Споры о существе реальности начались ещё тогда, когда физики выяснили, что волна и частица – лишь две стороны одной медали. Классический пример – эксперимент с двумя щелями, где отдельные электроны выстреливаются в барьер, имеющий две щели: электрон ведёт себя так, будто проходит через две щели одновременно, создавая полосатый рисунок интерференции с другой её стороны. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал волновую функцию для описания этого поведения и вывел уравнение, позволявшее вычислять её для любой ситуации. Но ни он, ни кто либо ещё, не мог ничего рассказать о природе этой функции.

Благодать в невежестве

С практической точки зрения её природа не важна. Копенгагенская интерпретация квантовой теории, созданная в 1920-х годах Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, использует волновую функцию просто как инструмент для предсказания результатов наблюдений, позволяя не думать о том, что происходит при этом в реальности. «Нельзя винить физиков в такой модели поведения, „заткнись и считай“, поскольку она привела к значительным прорывам в ядерной и атомной физике, физике твёрдого тела и физике элементарных частиц»,- говорит Джин Брикмонт, специалист по статистической физике Католического университета в Бельгии. «Поэтому люди советуют не волноваться относительно фундаментальных вопросов».

Но некоторые всё равно волнуются. К 1930-м годам Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию, не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам спутывать свои волновые функции, что приводило к ситуации, в которой измерения одной из них могли мгновенно дать состояние другой, даже если они при этом разделены огромными расстояниями. Чтобы не смиряться с этим «пугающим взаимодействием на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц были неполны. Он говорил, что возможно, у частиц есть некие скрытые переменные, определяющие результат измерения, которые не были замечены квантовой теорией.

Эксперименты с тех пор продемонстрировали работоспособность пугающего взаимодействия на расстоянии, что отвергает концепцию скрытых переменных. но это не остановило остальных физиков интерпретировать их по-своему. Эти интерпретации делятся на два лагеря. Одни соглашаются с Эйнштейном в том, что волновая функция отражает наше невежество. Это то, что философы зовут пси-эпистемическими моделями. А другие рассматривают волновую функцию как реальную вещь – пси-онтические модели.

Чтобы понять разницу, представим себе мысленный эксперимент Шрёдингера, описанный им в 1935 году в письме Эйнштейну. Кот находится в стальной коробке. Коробка содержит образец радиоактивного материала, у которого есть 50% шанс испустить продукт распада за один час, и аппарат, отравляющий кота в случае, если этот продукт будет обнаружен. Поскольку радиоактивный распад – событие квантового уровня, пишет Шрёдингер, правила квантовой теории говорят, что в конце часа волновая функция внутренностей коробки должна быть смесью из мёртвого и живого кота.

«Грубо говоря,- мягко выражается Федриччи,- в пси-эпистемической модели кот в коробке либо жив, либо мёртв, и мы просто не знаем этого из-за того, что коробка закрыта». А в большинстве пси-онтических моделей существует согласие с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку, кот одновременно будет и жив и мёртв.

Но тут спор заходит в тупик. Какая из интерпретаций истинна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, поскольку разница между моделями очень тонка. Они по сути должны предсказать то же квантовое явление, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Квинслендского университета, говорит, что за его 20-летнюю карьеру в квантовых технологиях «эта задача была как огромная гладкая гора без уступов, к которой нельзя было подступиться».

Всё поменялось в 2011 году, с опубликованием теоремы о квантовых измерениях, которая вроде бы устранила подход «волновая функция как невежество». Но по ближайшему рассмотрению оказалось, что эта теорема оставляет достаточно место для их манёвра. Тем не менее, она вдохновила физиков серьёзно задуматься о способах решения спора путём тестирования реальности волновой функции. Маруни уже разработал эксперимент, который в принципе работоспособен, и он с коллегами вскоре нашёл способ заставить его работать на практике. Эксперимент был проведён в прошлом году Федриччи, Уайтом и другими.

Для понимания идеи теста представьте две колоды карт. В одной есть только красные, в другой – только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды»,- говорит Мартин Рингбауэр, физик из того же университета. Если это красный туз, «случается пересечение, и вы не сможете сказать этого определённо». Но если вы знаете, сколько карт в каждой колоде, можно подсчитать, как часто будет возникать такая двусмысленная ситуация.

Физика в опасности

Такая же двусмысленность случается и в квантовых системах. Не всегда можно одним измерением узнать, например, как поляризован фотон. «В реально жизни просто отличить запад от направления чуть южнее запада, но в квантовых системах это не так просто»,- говорит Уайт. Согласно стандартной копенгагенской интерпретации, нет смысла спрашивать о поляризации, поскольку у вопроса нет ответа – пока ещё одно измерение не определит ответ в точности. Но согласно модели «волновая функция как невежество», вопрос имеет смысл – просто в эксперименте, как и в том, с колодами карт, не хватает информации. Как и с картами, возможно предсказать, сколько двусмысленных ситуаций можно объяснить таким невежеством, и сравнить с большим количеством двусмысленных ситуаций, разрешённых стандартной теорией.

Именно это и проверяли Федриччи с командой. Группа измеряла поляризацию и другие свойства в луче фотонов, и находила уровень пересечений, который нельзя объяснить моделями «невежества». Результат поддерживает альтернативную теорию – если объективная реальность существует, то существует и волновая функция. «Впечатляет, что команда смогла решить такую сложную задачу таким простым экспериментом»,- говорит Андреа Альберти, физик из Университета Бонна (Германия).

Вывод ещё не высечен в граните: поскольку детекторы улавливали лишь пятую часть использованных в тесте фотонов, приходится предполагать, что утерянные фотоны вели себя точно так же. Это сильное предположение, и сейчас группа работает над тем, чтобы уменьшить потери и выдать более определённый результат. В это время команда МАруни в Оксфорде работает с Университетом Нового Южного Уэльса (Австралия), чтобы повторить такой опыт с ионами, которых проще отслеживать. «В ближайшие шесть месяцев у нас будет неоспоримая версия этого эксперимента»,- говорит Маруни.

Но даже если их ждёт успех и победят модели «волновая функция как реальность», то и у этих моделей есть разные варианты. Экспериментаторам придётся выбирать один из них.

Одна из самых ранних интерпретаций была сделана в 1920-х годах французом Луи де Бройлем, и расширена в 1950-х американцем Дэвидом Бомом. Согласно моделям Бройля-Бома, у частиц есть определённое местоположение и свойства, но их ведёт некая «пилотная волна», которая и определяется как волновая функция. Это объясняет эксперимент с двумя щелями, поскольку пилотная волна может пройти через обе щели и выдать картину интерференции, хотя сам электрон, влекомый ею, проходит только через одну щель из двух.

В 2005 году эта модель получила неожиданную поддержку. Физики Эммануэль Форт, сейчас работающий в Институте Лангевина в Париже, и Ив Кодье из Университета Париж Дидро задали студентам простую, по их мнению, задачку: поставить эксперимент, в котором капли масла, падающие на поднос, будут сливаться из-за вибраций подноса. К удивлению всех вокруг капель начали образовываться волны, когда поднос вибрировал с определённой частотой. «Капли начали передвигаться самостоятельно по своим собственным волнам»,- говорит Форт. «Это был дуальный объект – частица, влекомая волной».

С тех пор форт и Кодье показали, что такие волны могут провести свои частицы в эксперименте с двумя щелями точно как предсказывает теория пилотной волны, и могут воспроизводить другие квантовые эффекты. Но это не доказывает существование пилотных волн в квантовом мире. «Нам говорили, что такие эффекты в классической физике невозможны,- говорит Форт. – И тут мы показали, что возможны».

Ещё один набор моделей, основанных на реальности, разработанный в 1980-х, пытается объяснить сильную разницу свойств у больших и малых объектов. «Почему электроны и атомы могут быть в двух местах одновременно, а столы, стулья, люди и коты – не могут»,-говорит Анджело Баси, физик Триестского университета (Италия). Известные как «коллапсные модели», эти теории говорят, что волновые функции отдельных частиц реальны, но могут терять свои квантовые свойства и приводить частицу в определённое положение в пространстве. Модели построены так, что шансы такого коллапса чрезвычайно малы для отдельной частицы, так что на атомном уровне доминируют квантовые эффекты. Но вероятность коллапса быстро растёт при объединении частиц, и макроскопические объекты полностью теряют свои квантовые свойства и ведут себя согласно законам классической физики.

Один из способов это проверить – искать квантовые эффекты у больших объектов. Если верна стандартная квантовая теория, то ограничений на размер нет. И физики уже провели эксперимент с двумя щелями при помощи больших молекул. Но если верны модели коллапса, то квантовые эффекты не будут видны при превышении определённой массы. Разные группы планируют искать эту массу, используя холодные атомы, молекулы, металлические кластеры и наночастицы. Они надеются обнаружить результаты в ближайшие десять лет. «Что классно с этими экспериментами, так это то, что мы будем подвергать квантовую теорию точным тестам там, где её ещё не проверяли»,- говорит Маруни.

Параллельные миры

Сложно разделить эту интерпретацию и стандартную квантовую теорию, поскольку их предсказания совпадают. Но в прошлом году Говард Вайзман из Гриффитского университета в Брисбейне с коллегами предложил модель мультивёрса, которую можно проверить. В их модели нет волновой функции – частицы подчиняются классической физике, законам Ньютона. А странные эффекты квантового мира появляются потому, что между частицами и их клонами в параллельных вселенных есть отталкивающие силы. «Отталкивающая сила между ними порождает волны, распространяющиеся по всем параллельным мирам»,- говорит Вайзман.

Используя компьютерную симуляцию, в которой взаимодействовали 41 вселенная, они показали, что модель грубо воспроизводит несколько квантовых эффектов, включая траектории частиц в эксперименте с двумя щелями. При увеличении количества миров рисунок интерференции стремится к реальному. Поскольку предсказания теории разнятся в зависимости от количества миров, говорит Вайзман, можно проверить, права ли модель мультивёрса – то есть, что никакой волновой функции нет, а реальность работает по классическим законам.

Поскольку в этой модели волновая функция не нужна, она останется жизнеспособной, даже если будущие эксперименты исключат модели с «невежеством». Кроме неё выживут другие модели, например, копенгагенская интерпретация, которые утверждают, что нет объективной реальности, а есть лишь вычисления.

Но тогда, как говорит Уайт, этот вопрос и станет объектом изучения. И хотя пока никто не знает, как это сделать, «что было бы реально интересным, так это разработать тест, проверяющий, есть ли у нас вообще объективная реальность».

Обычно мы думаем о квантовой физике как описывающей поведение субатомных частиц, а не поведения людей. Но эта идея не так уж и надумана, говорит Вонг. Также она подчеркивает, что ее исследовательская программа не предполагает, что наши мозги - буквально квантовые компьютеры. Вонг и коллеги сосредоточены не на физических аспектах мозга, а скорее на том, как абстрактные математические принципы квантовой теории могут помочь в понимании человеческого сознания и поведения.

«Как в социальных, так и в бихевиоральных науках мы часто используем вероятностные модели. К примеру, мы задаем вопрос, какова вероятность того, что человек будет действовать определенным образом или примет определенное решение? Традиционно, эти модели все основаны на классической теории вероятностей - которая возникла из классической физики ньютоновых систем. Что экзотического в том, что социальные ученые будут думать о квантовых системах и их математических принципах?».

Имеет дело с двусмысленностью в физическом мире. Состояние конкретной частицы, ее энергии, ее положения - все это неопределенно и должно быть рассчитано в терминах вероятностей. Квантовое познание рождается, когда человек имеет дело с психической двусмысленностью. Иногда мы не уверены в своих чувствах, ощущаем неоднозначность в выборе варианта, либо вынуждены принимать решения, основанные на ограниченной информации.

«Наш мозг не может хранить все. Мы не всегда имеем четкое представление о происходящем. Но если вы зададите мне вопрос вроде «что ты хочешь на ужин?», я подумаю и приду к конструктивному и четкому ответу, - говорит Вонг. - Это квантовое познание».

«Я думаю, что математический формализм, обеспечиваемый квантовой теорией, согласуется с тем, что мы интуитивно чувствуем как психологи. Квантовая теория может не быть интуитивной вообще, когда используется для описания поведения частицы, но вполне интуитивна, когда с ее помощью описывается наше типичное неопределенное и неоднозначное мышление».

Она использует пример кота Шрёдингера - , в котором кот внутри ящика с определенной вероятностью одновременно и жив, и мертв. Оба варианта потенциальны в нашем сознании. То есть, у кота есть потенциал быть одновременно мертвым или живым. Этот эффект называется квантовой суперпозицией. Когда мы открываем ящик, обе вероятности больше не существуют, и кот должен оказаться живым или мертвым.

С квантовым сознанием, каждое принятое нами решение - наш собственный уникальный кот Шрёдингера.

Когда мы перебираем варианты, мы просматриваем их своим внутренним взглядом. Какое-то время все варианты сосуществуют с различной степенью потенциалов: вроде суперпозиции. Затем, когда мы выбираем один вариант, остальные перестают существовать для нас.

Смоделировать этот процесс математически трудно, отчасти потому, что каждый возможный вариант добавляет уравнению веса. Если во время выборов человеку предлагают выбрать из двадцати кандидатов в бюллетене, проблема выбора становится очевидной (если человек впервые видит их имена). Вопросы с открытым концом вроде «как вы себя чувствуете?» оставляют еще больше возможных вариантов.

С классическим подходом к психологии, ответы могут вовсе не иметь смысла, поэтому ученым нужно построить новые математические аксиомы, чтобы объяснить поведение в каждом отдельном случае. Результат: появилось много классических психологических моделей, некоторые из которых конфликтуют между собой, и ни одна из которых не применима к каждой ситуации.

С квантовым подходом, как отмечает Вонг и ее коллеги, многие сложные и комплексные аспекты поведения могут быть объяснены одним ограниченным набором аксиом. Та же квантовая модель, что объясняет, почему порядок вопросов влияет на ответы опрашиваемых людей, также объясняет нарушения рациональности в парадигме «дилеммы заключенного», эффекта, когда люди работают сообща, даже если это совсем не в их интересах.

«Дилемма заключенного и порядок вопросов - два совершенно разных эффетка в классической психологии, но они оба могут быть объяснены одной квантовой моделью, - говорит Вонг. - С ее же помощью можно объяснить много других, несвязанных и загадочных выводов в психологии. Причем элегантно».

Аюдеик Флек, польский эпистемолог и микробиолог, вдохновлявший Томаса Куна на введение понятия «парадигмы» заметил, что, когда начинающие студенты впервые изучают препараты под микроскопом, вначале у них ничего не получается. Они просто не видят то, что лежит на предметном стеклышке.

С другой стороны, нередко они видят то, чего там нет. Как такое возможно? Ответ прост: дело в том, что восприятие — особенно его сложные формы — требует тренировки и развития. Спустя некоторое время все студенты видят то, что лежит на предметном стекле.

Квантовая физика

Полагаю, я не ошибусь,
если скажу, что квантовую механику
не понимает никто.

— Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года за развитие квантовой электродинамики.

Тот, кто не был потрясён
при первом знакомстве с квантовой теорией,
очевидно, просто ничего не понял.
— Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года за работы по исследованию структуры атома.

С одной стороны, эта теория полна парадоксов, загадок и путаницы в понятиях. С другой стороны, у нас нет возможности отбросить её или пренебречь ею, поскольку она на практике зарекомендовала себя как самый надёжный инструмент для предсказания поведения физических систем.

— Дэвид Алберт, доктор философии

Если лауреаты Нобелевской премии по физике не понимают квантовую теорию, на что можем надеяться мы? Что делать, если реальность стучится в ваши двери и рассказывает нечто совершенно непонятное, ошеломляющее, озадачивающее? Как вы реагируете, как живёте дальше, какие варианты перед собой видите — всё это говорит о вас очень многое, но это мы обсудим в следующей главе. А сейчас давайте побеседуем об электронах, фотонах, кварках, а также о том, как столь крошечный предмет (если это вообще предмет) может быть так непостижим, и в то же время способен рвать на часто наш отлично организованный и такой понятный мир.

На границе известного и неизвестного

Классическая физика Ньютона основана на наблюдении плотных объектов, которые знакомы нам из повседневного опыта — от падающих яблок до движущихся по орбитам планет. На протяжении столетий её законы были многократно проверены, подтверждены и расширены. Они вполне понятны н позволяют хорошо предсказывать поведение физических объектов, и свидетельство тому — достижения промышленной революции. Но в конце XIX столетия, когда физики начали разрабатывать инструменты для исследования мельчайших составляющих материи, они были сбиты с толку: физика Ньютона перестала действовать! Она не могла ни объяснить, ни предсказать получаемые ими результаты экспериментов.

За следующую сотню лет развилось совершенно новое описание мира мельчайших частиц. Известное как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория, это новое знание не вытесняет ньютонову физику, которая по-прежнему отлично описывает большие, макроскопические объекты. Однако, новая наука отважно идёт туда, куда физике Ньютона путь заказан: в субатомный мир.

«Наша Вселенная — очень странная, — говорит доктор Стюарт Хамерофф — Судя по всему, существует два свода законов, управляющих ею. Наш повседневный, «классический» мир, — мир привычных нам пространственных и временных масштабов — описывается ньютоновскими законами движения, сформулированными сотки лет назад. Однако, когда мы переходим к объектам атомного уровня, включается совершенно другой свод законов. Это квантовые законы».

Факты или фантастика?

Выводы квантовой теории потрясающи (ниже мы подробнее остановимся на пяти основных потрясениях) и напоминают научную фантастику: частица может находиться в двух или более местах одновременно! (Один из недавних экспериментов показал, что частица может находиться в трёх тысячах мест сразу!) Один и тот же объект может проявляться как частица, легализированная в одном месте, или как волна, распространяющаяся в пространстве и времени.

Эйнштейн утверждал, что ничто не может двигаться быстрее света, однако, квантовая физика показала, что субатомные частицы обмениваются информацией мгновенно , через любые расстояния в пространстве.

Классической физике свойствен детерминизм : если нам дан определённый набор исходных условий (таких, как координаты и скорость объекта), мы можем совершенно точно определить, куда он будет двигаться. Квантовая физика вероятностна : мы никогда точно не знаем, как поведёт себя конкретный объект.

Классическая физика механистична : она основана на предположении, что лишь через понимание отдельных частей возможно понимание целого. Новая физика холистична : она изображает Вселенную как единое целое, части которой взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, пожалуй, самое главное: квантовая физика стёрла чёткую картезианскую границу между субъектом и объектом, наблюдателем н наблюдаемым, которая доминировала в науке на протяжении 400 лет.

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Изолированных наблюдателей механической Вселенной не существует — всё и вся соучаствует во Вселенной. (Этот момент настолько важен, что мы посвятим ему отдельную главу).

Термин «квант» был впервые использован в науке немецким учёным Максом Планком в 1900 году. Это латинское слово означат «количество», однако, ныне его используют для обозначения наименьшего количестве материи или энергии.

Одно из самых глубоких философских различий между классической механикой
и механикой квантовой состоит в том, что классическая механика от самого основания и до верха построена на идее, которая, как нам теперь известно, представляет собой
не более, чем фантазию. Это идея о возможности пассивного наблюдения...А квантовая механика решительно опровергла эту идею.

— Дэвид Альберт, доктор философии

Потрясение №1 — пустое пространство

Давайте начнём с чего-то, знакомого большинству из нас. Одной из первых трещин в здании ньютоновой физики стало открытие, что атомы — предположительно твёрдые частицы, из которых построена Вселенная — состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если мы увеличим ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии тридцати километров, а между ними — ничего . Итак, глядя вокруг, помните, что реальность на самом деле представляет собой крохотные точечки материи, окружённые пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» вовсе не пуста: в ней содержится колоссальное количество тонкой, но исключительно мощной энергии. Мы знаем, что плотность энергии возрастает по мере перехода ко всё более тонким уровням реальности (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Ныне учёные утверждают, что один кубический сантиметр пустого пространства содержит в себе больше энергии, чем материя во всей известной Вселенной. Хотя учёные не могут замерить эту энергию напрямую, они видят результаты действия этого колоссального моря энергии. Заинтригованы? Поинтересуйтесь, что такое «силы Вандер Ваальса» и «эффект Казимира».

Вниз по кроличьей норе элементарных частиц
Когда Шрёдингер формулировал своё волновое уравнение, Гейзенберг решал ту же задачу при помощи передовой на то время «матричной математики». Однако, его выкладки оказались слишком непонятными, они никак не соотносились с повседневным опытом и с такими словами обычного языка, как «волна », поэтому «волновому» уравнению было отдано предпочтение перед «матричными трансформациями». Однако, всё это лишь аналогии.

Мир ведёт себя именно так, как я думал, когда был маленьким. Что можно сказать о маленьком мальчике с его мечтами и фантазиями? Что он находятся в плену иллюзий? Возможно. Однако, подозрительно, что в квантовой механике не меньше волшебства. Вопрос вот в чём: где проходит граница между фантастическим и зыбким квантовым миром и миром больших объектов, который кажется нам столь прочным? С подросткового возраста я задавался вопросом: если я состою из субатомных частиц, способных на самые фантастические штуки, может быть, и я способен на фантастические штуки?

— Марк

Потрясение № 2 — частица, волна или волночастица?

Мало того, что элементарные частицы разделены огромными «пространствами», — проникая всё глубже в атом, учёные обнаружили, что субатомные частицы (из которых атом состоит) не являются твёрдыми телами. Судя по всему, они обладают двойственной природой. В зависимости от того, как их наблюдать, они ведут себя либо как частицы, либо как волны. Частицы — это отдельные твёрдые объекты, имеющие определённое положение в пространстве. Волны же не являются твёрдыми объектами и не локализованы в пространстве, но распространяются в нём (например, звуковые волны, волны на воде).

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного положения в пространстве, но существует как «поле вероятностей». В качестве частицы поле вероятностей схлопывается (или «коллапсирует») в твёрдый объект, положение которого во времени и пространстве может быть определено.

Как это ни удивительно, но состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и не наблюдаемый электрон ведёт себя как волна. Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он «схлопывается» в частицу, чьё положение можно локализировать.

Как что-то может быть одновременно твёрдой частицей и мягкой текучей волной? Возможно, этот парадокс можно решить, вспомнив то, о чём мы говорили выше: элементарные частицы ведут себя как волны или как частицы. Но «волна» — это лишь аналогия. Как и «частица» — всего лишь аналогия из нашего привычного мира. Идея о волновых свойствах частиц развилась в квантовую теорию благодаря Эрвину Шрёдингеру, который в своём знаменитом «волновом уравнении» математически описал вероятности волновых свойств частицы ещё до их наблюдения.

Чтобы подчеркнуть, что они на самом деле не знают, с чем имеют дело, и никогда прежде не сталкивались с чем-либо подобным, некоторые физики решили называть это явление «волночастицей»

Пока субатомный объект находится в волновом состоянии, невозможно определить, каким он станет, когда подвергнется наблюдению и окажется локализованным в пространстве. Он существует в состоянии «множественных возможностей», которое называется суперпозицией. Это как если бы мы подбросили монету в тёмной комнате. С математической точки зрения, даже после тоге, как она упадёт на стол, мы не можем определить, легла ли она орлом или решкой. Но как только загорится свет, мы схлопываем («коллапсируем») суперпозицию, и монета становится либо «орлом», либо «решкой». Производя наблюдение волны, мы — как и при включении света в приведённом примере — схлопываем квантовую суперпозицию и частица оказывается в «классическом» состоянии, которое может быть измерено.

Потрясение № 3 — квантовые скачки и вероятность

При изучении атома учёные обнаружили, что, уходя со своей орбиты вокруг атомного ядра, электрон движется сквозь пространство не так, как обычные объекты, — он передвигается мгновенно . Иными словами, он исчезает из одного места, с одной орбиты, к появляется на другой орбите. Это явление назвали квантовым скачком.

Мало того, выяснилось, что невозможно точно определить, где возникнет электрон или когда он совершит скачок. Максимум, что можно сделать, — это обозначить вероятность нового местоположения электрона (волновое уравнение Шрёдингера). «Реальность, как мы её знаем, каждое мгновение создаётся заново из целого океана возможностей, — говорит доктор Сатиновер, — Но самое загадочное — что тот фактор, который определял бы, какая именно возможность из этого океана реализуется, не принадлежит физической Вселенной . Здесь нет процесса, который определяет это».

Часто это формулируют следующим образом: квантовые события — единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.

Потрясение № 4 — принцип неопределённости

В классической физике все атрибуты объекта, включая его положение и скорость, могут быть измерены с точностью, которая ограничена только технологическими возможностями экспериментатора. Но на квантовом уровне, измеряя один показатель, например скорость, ты не можешь одновременно получить точные значения других показателей — например, координаты. Если ты узнаёшь, где находится объект, то не сможешь узнать, как быстро он движется. Если же ты знаешь, как быстро он движется, то не знаешь, где находится. И сколь бы точным и современным ни было твоё оборудование, заглянуть за эту завесу не удаётся.

Принцип неопределённости сформулировал Вернер Гейзенберг, один из первопроходцев квантовой физики. Этот принцип гласит, что, как ни пытайся, невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредоточиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределённым становится другой.

Потрясение № 5 — нелокальность, ЭПР, теорема Белла и квантовый парадокс

Альберт Эйнштейн квантовую физику недолюбливал (мягко говоря). Вот одно из его высказываний по поводу вероятностной природы квантовых процессов: «Бог не играет в кости со Вселенной». На что Нильс Бор ответил: «А вы не указывайте Богу, что ему делать!»

Пытаясь опровергнуть квантовую механику, Эйнштейн, Подольский и Розен (ЭПР) в 1935 году предложили мысленный эксперимент, призванный показать, насколько нелепа новая теория. Они довольно остроумно обыграли одни из выводов квантовой механики, на который другие учёные не обратили внимания: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом, или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы Вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже мгновенно изменится, чтобы прийти в такое же состояние. Мгновенно!

Эта идея казалась настолько абсурдной, что Эйнштейн назвал такое явление «призрачным дальнодействием». Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А здесь скорость обмена информацией оказывается бесконечной! Более того, мысль о том, что один электрон может следить за судьбой другого, находящегося на другом конце Вселенной, просто противоречила общепринятым представлениям о реальности, основанным на здравом смысле.

Затем в 1964 году Джон Белл предложил теорему, из которой следует, что предположение ЭПР справедливо! Именно так всё происходит, и представление о том, что объекты локальны — то есть существуют только в одной точке пространства, — неверно. Всё на свете нелокально. Элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства.

За годы, прошедшие после публикации теоремы Белла, его идеи были не раз подтверждены в лаборатории. Попытайтесь хоть на миг охватить это умом. Время и пространство — наиболее фундаментальные черты мира, в котором мы живём, — каким-то образом вытеснены в квантовой теории представлениями о том, что все объекты всегда связаны друг с другом. Не случайно Эйнштейн полагал, что такой вывод приведёт к смерти квантовой механики. — он просто бессмыслен.

Тем не менее, очевидно, этот феномен принадлежит к числу действующих законов Вселенной. Собственно, Шрёдингер как-то говорил, что тесная взаимосвязь между объектами является не одним из интереснейших аспектов квантовой физики, но важнейшим аспектом. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым глубоким открытием в науке». Обратите внимание: он сказал в науке, в не в физике.

Занимающий меня вопрос — не почему квантовая физика столь интересна?», но «почему ТАК МНОГО ЛЮДЕЙ интересуются квантовой физикой?» Она подрывает самые основы наших представлений о мире. Она утверждает, что самые очевидные вещи, которые мы ЗНАЕМ наверняка, просто не верны. И, тем не менее, она заворожила миллионы людей, у которых даже «нет научной жилки».

Я едва не свела Марка и Уилла с ума, по тысяче раз за день спрашивая «Какого чёрта я вообще должна этим заниматься? Какое это имеет ко мне отношение? Почему меня должен интересовать этот идиотский мир квантов — разве мало идиотизма в моём собственном мире?» Я до сих пор не уверена, что понимаю всё это. Но доктор Фред Алан Вольф как-то мне сказал: «Если ты думаешь, что поняла всё, — значит, ты вообще не слышала, что тебе говорили!» Чему мы научились, исследуя всё это квантовое безумие, так это наслаждаться хаосом и принимать неведомое, ибо из него рождаются воистину великие переживания!

Каков звук схлопывания одного электрона?

Квантовая физика и мистицизм

Несложно увидеть точки соприкосновения между физикой и мистицизмом. Объекты разделены в пространстве, но при этом тесно связаны друг с другом (нелокально); электроны перемещаются из точки А в точку Б, но при этом не проходят между этими точками; материя представляет собой (с математической точки зрения) волновую функцию, которая схлопывается (то есть, обретает существование в пространстве) лишь тогда, когда её измеряют.

Мистики без труда принимают все эти идеи, большинство из которых намного старше, чем ускорители элементарных частиц. Многие из основателей квантовой механики серьёзно интересовались духовными вопросами. Нильс Бор использовал символ Инь-Ян в своём личном гербе; Дэвид Бом вёл длинные дискуссии с индийским мудрецом Кришнамурти; Эрвин Шрёдннгер читал лекции об Упанишадах.

Но служит ли квантовая физика доказательством мистического мировоззрения? Спросите об этом у физиков — и вы получите полный спектр ответов. Если задать этот вопрос на вечеринке физиков и начать жёстко отстаивать какую-то одну позицию, вполне вероятно (ведь вероятность играет важную роль в квантовой теории), что начнётся потасовка.

Если не считать махровых материалистов, большинство учёных сходятся во мнении, что мы пока находимся на стадии аналогий. Параллели слишком явственны, чтобы игнорировать их. И квантовая физика, и дзэн склонны к парадоксальному взгляду на мир. Как говорил уже упоминавшийся нами доктор Радин: «Однако предложен и другой взгляд на мир: на него указывает квантовая механика».

Вопросы о том, чем вызывается схлопывание волновой функции и действительно ли квантовые события случайны, не нашли ответа сих пор. Конечно, нам очень хочется создать по-настоящему единую концепцию реальности, которая непременно будет включать и нас самих, однако мы не можем не прислушаться к предостережению современного философа Кена Уилбера:

Работа этих учёных — Бома, Прибрама, Уилера и прочих — слишком важна, чтобы отягощать её необузданными рассуждениями мистиков. А мистицизм слишком глубок, чтобы привязывать его к тому или иному этапу научного теоретизирования. Пусть они оценят друг друга по достоинству, и пусть их диалог и обмен идеями никогда не закончится.

Таким образом, критикуя некоторые аспекты новой парадигмы, я стремлюсь не к тому, чтобы остудить интерес к её дальнейшему развитию. Я просто призываю к ясности и точности в изложении всех этих вопросов, которые, что ни говори, исключительно сложны.

За нами миллиарды генетических жизней, которые дали нам это совершенное генетическое тело и совершенный генетический мозг. Тысячи и тысячи лет потребовались для их эволюции до такого уровня, чтобы мы с вами могли вести эти беседы об абстрактном. Если нам дано воплотиться в величайших из когда-либо существовавших эволюционных механизмов — в наших телах, обладающих человеческим
мозгом, — значит, мы заслужили право задавать вопросы «что, если...»

— Рапа

Выводы

Выводы? Да вы шутите! Если у вас есть выводы, пожалуйста, поделитесь с нами. Но в любом случае, добро пожаловать в полный споров, загадок, задач и откровений мир абстрактной мысли. Наука, мистицизм, парадигмы, реальность — вы только посмотрите, как широка сфера человеческих исследований, открытий и дебатов!

Посмотрите, как человеческий ум исследует этот удивительный мир, где нам довелось жить.

В этом наше истинное величие.

Подумайте об этом...

— Вспомните пример из своей жизни, когда вы на опыте убедились в действии ньютоновой физики.

— Определяла ли до сих пор ньютонова физика вашу парадигму?

— Когда вы узнали о зыбком фантастическом квантовом мире, изменилась ли ваша парадигма? Если да, то как?

— Готовы ли вы выйти за пределы известного?

— Вспомните пример квантового эффекта в вашей жизни.

— Кто или что является там «наблюдателем», который определяет природу и расположение «частицы»?

Новый эксперимент может пролить свет на удивительную скрытую механику квантовых суперпозиций.

Суперпозиция - понятие о том, что крошечные объекты могут существовать в нескольких местах или состояниях одновременно - является краеугольным камнем квантовой физики. Новый эксперимент пытается пролить свет на это загадочное явление.

Главный вопрос в квантовой механике, на который никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции - своеобразном состоянии, в котором частицы находятся в двух или более местах или состояниях одновременно? Группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволит нам узнать что-то точное о природе этого загадочного явления.

Их эксперимент, который, по словам исследователей, может быть выполнен в течение нескольких месяцев, должен позволить ученым понять, где фактически находится объект - в конкретном случае частица света, называемая фотоном - когда она находится в суперпозиции. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места сразу».

Классический пример суперпозиции включает в себя обстрел фотонов сквозь две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя подобно волнам, так что те, которые проходят через одну щель, «мешают» тем, кто проходит через другую, их волнистые ряби, увеличивая или меняя друг друга, создают характерную структуру на экране детектора. Странная вещь, однако, заключается в том, что это вмешательство происходит, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Частица как бы проходит через обе щели сразу. Это и есть суперпозиция.

И это очень странно: измерение того, через какую именно щель преодолевает частица, неизменно указывает на то, что она проходит только через одну щель, и в таком случае волновая интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Сам акт измерения, похоже, «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит нечто странное » - говорит физик Авшалом Элицер из израильского института перспективных исследований. «Но вы не можете это измерить. Это то, что делает квантовую механику настолько загадочной».

На протяжении десятилетий исследователи останавливались в этом очевидном тупике. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не наблюдая за ней; но если они попытаются взглянуть на неё, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанных бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Ааароновым в Университете Чепмена и его сотрудниками, предлагает способ узнать что-то о квантовых частицах перед измерением. Ахароновский подход называется формализмом двух состояний (TSVF) квантовой механики, а постулаты квантовых событий в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть, TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения причины, по-видимому, могут распространяться назад во времени, возникающие после эффектов.

Но не нужно воспринимать это странное понятие буквально. Скорее всего, в TSVF можно получить ретроспективное знание о том, что произошло в квантовой системе: вместо того, чтобы просто измерять, где заканчивается частица, исследователь выбирает конкретное место для поиска. Это называется post-selection, и оно предоставляет больше информации, чем любой безусловный взгляд на результаты. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории вплоть до измерения, включая измерение. Получается, что исследователь - просто выбрав для поиска конкретный результат - затем приходит к выводу, что результат должен произойти. Это немного похоже на то, как если вы включаете телевизор в момент, когда должна транслироваться ваша любимая программа, но само ваше действие заставляет эту программу транслироваться в этот самый момент. «Общепризнано, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике» - говорит Дэвид Уоллес, философ науки в Университете Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики. «Но это приводит к тому, что некоторые вещи не видят иначе».

Возьмем, к примеру, вариант двухсекундного эксперимента, разработанного Аароновым и сотрудником Левом Вайдманом в 2003 году, который они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой один фотон действует как «затвор», который закрывает щель, заставляя другой «пробный» фотон приближаться к щели, чтобы отражаться так, как она появилась. После измерений пробного фотона, как показали Ахаронов и Вайдман, можно заметить фотоснимок затвора в суперпозиции, закрывающей одновременно (или даже произвольно много) щелей одновременно. Другими словами, этот мысленный эксперимент в теории позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один хорошо изученный аспект так называемых «нелокальных» свойств квантовых частиц, где все понятие четко определенного положения в космосе растворяется.

В 2016 году физики Рио Окамото и Шигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя светопроводящую схему, в которой фотосъемка затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом другого. «Это был новаторский эксперимент, который позволил установить одновременное положение частицы в двух местах» - говорит коллега Элицура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.

Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более умопомрачительный эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью узнать больше о расположении частицы в суперпозиции в последовательности разных точек времени до того, как будут сделаны какие-либо фактические измерения.

На этот раз маршрут зондового фотона будет разделен на три части зеркалами. Вдоль каждого из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно считать выполненными в коробках с надписью A, B и C, каждая из которых расположена вдоль каждого из трех возможных путей фотона. Рассматривая самоинтерференцию зондового фотона, можно будет ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в данном ящике в определенное время.

Эксперимент сконструирован таким образом, чтобы пробный фотон мог показывать только интерференцию в случае взаимодействия с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времен: а именно, если фотон затвора находился в обоих блоках A и C в некоторый момент времени (t1), то при более позднем времени (t2) - только в C и еще в более позднее время (t3) - как в B, так и в C. Таким образом, интерференция в зондирующем фотоне была бы окончательным признаком того, что фотон затвора действительно проходит через эту странную последовательность разрозненных явлений среди ящиков в разное время - идея Элицура, Коэна и Ааронова, которые в прошлом году предположили, что одна частица одновременно проходит по трем ящикам. «Мне нравится, как эта статья ставит вопросы о том, что происходит с точки зрения целых историй, а не мгновенных состояний», - говорит физик Кен Уортон из Университета штата Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Говорить о «состояниях»- это старая повсеместная предвзятость, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».

Это именно то, к чему, по утверждению Элицура дает доступ новый эксперимент с TSVF. Очевидное исчезновение частиц в одном месте за один раз - и их повторное появление в других местах и времени - предполагает новое и необычное видение лежащих в основе процессов, связанных с нелокальным существованием квантовых частиц. Благодаря объективу TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте каким-то образом «отменяется» своей собственной «противоположной стороной» в том же месте. Он сравнивает это с понятием, введенным британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их собрать вместе, частица и античастица могут уничтожить друг друга. Эта картина сначала казалась просто манерой говорить, но вскоре привела к открытию антиматерии. Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в этом же смысле, но оно несколько аналогично - эти предполагаемые противоположные частицы, полагает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, позволяя им отменить их аналоги.

Поэтому, хотя традиционные «два места одновременно» суперпозиции могут казаться довольно странными, «возможно, суперпозиция представляет собой совокупность состояний, которые еще более сумасшедшие» - говорит Элицур. «Квантовая механика просто рассказывает вам об их среднем состоянии». Последующий выбор позволяет изолировать и проверить только некоторые из этих состояний с большим разрешением, предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», потому что это повлекло бы за собой до сих пор недопустимый зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.

Исследователи говорят, что проведение фактического эксперимента потребует тонкой настройки производительности их квантовых маршрутизаторов, но они надеются, что их система будет готова к нему через три-пять месяцев. Пока некоторые наблюдатели ожидают его с замиранием сердца. «Эксперимент должен работать, - говорит Уортон, - но он никого не убедит, поскольку результаты прогнозируются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не нет веских оснований интерпретировать результат в терминах TSVF.

Элицур соглашается, что их эксперимент мог быть задуман с использованием общепринятого взгляда на квантовую механику, которая царила десятилетия назад, но этого никогда не было. «Разве это не является хорошим показателем надежности TSVF ?» - спрашивает он. И если кто-то подумает, что они могут сформулировать другую картину того «что действительно происходит» в этом эксперименте, используя стандартную квантовую механику, он добавляет: «Хорошо, пусть они попробуют! »

Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами , какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.

Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому .

Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось…

К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.

Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.

В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.

В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий с очень высокой точностью.

Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.

В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.

Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.

В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.

Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор

1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.

Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.

Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.

Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.

Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического .

Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения -Больцмана…

Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).

Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.

Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.

Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.

Что изучает квантовая физика?

Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).

Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10 −8 см и меньше. Это:

• молекулы,
• атомы,
• атомные ядра,
• элементарные частицы.

Главные характеристики микрообъектов — масса покоя и электрический заряд. Масса одного электрона (me) равна 9,1 · 10 −28 г.

Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.

Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.

Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10 −19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.

Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы

Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.

К числу свойств микрообъектов относится спин (в дословном переводе с английского — «вращаться»).

Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.

Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.

Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.

Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира, большая часть которых – нестабильных объектов — самопроизвольно распадается, превращаясь в другие квантовые объекты.

Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.

Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.

Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.

То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.

Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.

Квантовая физика – это не просто новомодная теория.

Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.

Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).

Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.

Значение квантовой физики

Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.

Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.

Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.

Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира

Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики .

Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем ), свойства молекул и атомов, их строение.

Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).

Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.

Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию , квантовой электроники, техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.

Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание , космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.