Текст книги "Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком"

Дам такие примеры. Атомное ядро включает в себя больше квантовых объёмов, чем количество кубических метров, входящих в галактику Млечный Путь.

А квант времени? Секунда – не самая малая единица измерения времени. В одной секунде больше квантов времени, чем количество секунд, прошедших с момента рождения Вселенной.

То есть квант – это очень, очень маленькая величина. И квантовый скачок тоже вычисляется по формуле Планка и является самым крошечным изменением энергии. Он может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.

Дискретная природа нашего мира порождает удивительные и странные явления, называемые квантовыми эффектами. Квантовые эффекты – это основы квантовой физики, о которых я скоро расскажу. Постоянную Планка можно назвать мерой дискретности.

Если постоянная Планка была бы равна нулю, то мир бы не существовал, так как энергия всех фотонов равнялась бы нулю и не было бы светового излучения.

А если бы постоянная Планка была гораздо больше, то эффекты микромира стали бы обычным для нас делом. Предметы бы исчезали и появлялись в неожиданных местах, тела бы меняли направление движения безо всякой причины, и можно было бы быть живым и мёртвым одновременно. Как вам такой мир?

Физики точно не знают, почему наш мир дискретный. Одно из интересных возможных объяснений – теория симуляции. Согласно ей Вселенная – это компьютерная симуляция, созданная Богом, а квант – это бит информации, как в наших компьютерах. Мы разберём эту теорию в следующих главах.

Резюме и задания

 Резюме

• Наш мир состоит из атомов, а атом, в свою очередь, из протонов, нейтронов и электронов. Размеры частиц очень маленькие по сравнению с размером целого атома, поэтому любое тело (включая нас с вами) – это практически пустое пространство.

• Видимое излучение – это малая часть всего спектра электромагнитных волн. Цвет предмета определяется частотой отражаемого излучения.

• Есть четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. Все другие взаимодействия можно свести к этим четырём.

• Поле – это область пространства, передающая взаимодействие. Нет понятия «квантовое поле», есть наука – квантовая теория поля. В ней поля можно называть квантованными.

• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитные волны (энергию).

• Излучение и поглощение энергии происходит лишь при переходе с одной орбиты на другую. Это крошечное изменение энергии (как увеличение, так и уменьшение) называется квантовым скачком.

• Квант – это минимально возможное значение физической величины. Весь наш мир квантуется (он дискретен). Квантуется энергия, расстояние, объём, время.

 Задания

1. Как вы думаете, почему все предметы в мире – это практически пустое пространство, а мы этого не ощущаем?

2. Порассуждайте, как любое взаимодействие можно разложить на четыре фундаментальных взаимодействия. Найдите свои примеры.

3. Найдите или придумайте смешные примеры неграмотного использования понятия «квантовый скачок». Поделитесь в соцсетях с хештегом #арьекнига.

4. Приведите примеры понятий, которые являются дискретными, а также примеры недискретных понятий.

Часть 2
Двухщелевой эксперимент и корпускулярно-волновой дуализм

Вы узнаете, что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм» и какой опыт считается самым главным в истории физики; что такое таинственный эффект наблюдателя и существует ли вообще объективная реальность. А ещё потренируетесь создавать собственную реальность.

Глава 1
Свет – это частицы или волны?

Я думаю, что могу смело утверждать: квантовую механику не понимает никто.

Ричард Фейнман, один из основателей квантовой механики

Физики, математики, философы всегда любили рассуждать о природе света. Аристотель считал, что свет – это волна. Демокрит, живший в те же годы, верил: свет – это частицы. Ньютон писал, что свет состоит из корпускул, а другой великий физик, Христиан Гюйгенс, считал свет волной.

И по сути, все они были правы. Свет иногда ведёт себя как волна, а иногда – как частицы. Частицы света – это фотоны. И это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

И самая главная тайна квантовой физики заключается в том, что до сих пор точно неизвестно, когда же волна превращается в частицу.

#физикишутят

– Что вы думайте о корпускулярно-волновой теории света?

– Я не Света, я – Наташа.

Глава 2
Дифракция и интерференция

Вспомним такие понятия, как «дифракция» и «интерференция», которые понадобятся нам для понимания двухщелевого эксперимента.

Дифракция волны (в частности, света) – это отклонение волны от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

Например, это явление можно увидеть на поверхности воды.

На пути распространения волн поместим экран с узкой щелью. За экраном будет расходиться круговая волна так, будто в щели находится источник волн.

Интерференция – это взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн [3]3
  Когерентные волны – это волны, колебания которых происходят синхронно, т. е. с одинаковой частотой.


[Закрыть] при их наложении друг на друга.

Например, если кинуть два камушка в воду, от них начнут расходиться круги. В какой‑то момент круги начнут соединяться друг с другом. И вы увидите, что там, где они соединяются, высота волн увеличивается, а в других местах гасится. Вот это и называется явлением интерференции.

Глава 3
Двухщелевой эксперимент

Вся квантовая механика может быть выведена путём тщательного осмысления следствия одного этого эксперимента.

Ричард Фейнман, один из основателей квантовой теории

Томас Юнг провёл свой знаменитый двухщелевой эксперимент ещё в далёком 1801 году. В чём суть опыта? Есть источник света, есть экран. Между ними помещают непрозрачную пластинку, в которой сделана длинная прорезь. На регистрирующем экране мы получаем тонкую полоску света. Сделаем ещё одну, параллельную прорезь рядом с первой. Мы ожидаем увидеть две полосы на экране, считая, что фотоны (кванты света) – это частицы. Но удивительно: полос не две. На нашем экране появляется узор из чередующихся тёмных и светлых полос (интерференционная картина). Точка, в которой пересекаются вершины волн, дающие наивысшую интенсивность, – это яркие линии.

Этот эксперимент стал самым часто повторяемым за всю историю физики. Он показывает, что свет – это не поток частиц, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.

Однако это было только началом. Около 100 лет назад Эйнштейн с другими физиками исследовал свойства света, и расчёты показывали, что свет всё‑таки состоит из частиц (фотонов). Но опыт Юнга показывал, что свет – это волна. Тогда ввели такое понятие, как «корпускулярно-волновой дуализм». То есть иногда свет ведёт себя как волна, а иногда – как частица (корпускула). Это кажется странным, но дальше всё становится ещё страннее.

#физикишутят

Узнав о корпускулярно-волновом дуализме, энергетическая компания стала присылать сразу две платёжки: за свет в виде частицы и за свет в виде волны.

Физики смогли провести опыт Юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. Учёные всегда сомневались: свет – это частицы или волна? А вот по поводу электронов сомнений не было [4]4
  Фотоны всё‑таки особенные частицы: у них нет массы, они как бы не совсем «материальны». Электрон – это частица, которая имеет массу, имеет размер. Электроны вместе с другими частицами с ненулевой массой являются кирпичиками, из которых построен весь наш мир.


[Закрыть].

Учёные стали стрелять электронами по экрану с двумя прорезями. Удивительно, но получился интерференционный узор! Выпустили электроны – маленькие частицы материи, но получили рисунок, как в опыте с волной света. Как частицы материи создают интерференционный узор, словно волны?

Физики подумали: возможно, электроны, как маленькие шарики, отталкиваются друг от друга и создают такой узор? И учёные решили выпускать электроны по одному, чтобы исключить вероятность их взаимодействия друг с другом. И опять знакомая интерференционная картина!

Как это возможно? Что вызвало интерференцию ОДНОГО электрона? Электрон – неделимая частица. Единичный электрон вылетает как частица, приобретает свойство волны, пролетая через обе щели одновременно. Он проходит через одну щель и проходит через другую. Физики были озадачены. Получается, электрон в момент прохождения пластины не существует как реальный объект с реальными координатами, а находится в двух местах одновременно.

Учёные решили понаблюдать, через какую щель электроны проходят на самом деле.

Глава 4
Влияние наблюдателя

Физики установили измеряющий прибор (датчик) возле одной щели, чтобы зарегистрировать, через какую именно щель пройдёт электрон. И оказывается, что квантовый мир и мистика не столь далеки друг от друга. Картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос, т. е. никакой интерференции. Электроны как будто знали, что за ними наблюдают, и не захотели проявлять свою волновую природу.

#физикишутят

«Ощущаю на себе мощь квантовой теории: работаю, только когда за мной наблюдают…»

Впоследствии этот эксперимент повторяли и с другими частицами, с атомами и со скоплениями атомов. Он всегда работает! Самые большие частицы, с которыми удалось к настоящему времени проделать опыт, – это молекулы, состоящие примерно из 2000 атомов. То есть такой размер – доказанная граница микромира, где действуют законы квантовой физики. Если вы будете бросать камешки в забор с двумя щелями, камешки будут пролетать в одну из щелей и интерферировать не будут. В микромире действуют другие законы. (Хотя позже вы увидите, что даже в макромире могут происходить любые чудеса, включая неожиданные результаты бросания камешков, однако вероятность такого события очень мала.)

Конечно, опыт с датчиком ставит в тупик не только нас с вами, но и физиков всего мира. Эксперимент много раз пытались оспорить и опровергнуть. Но результаты всегда одни и те же: все объекты микромира проявляют себя как волны, и только когда мы за ними наблюдаем – становятся частицами. Получается, что…

…способ измерения влияет на результат.

Возникает очень много вопросов. Неужели всё вокруг – это волны, пока не появится некий Наблюдатель? Но что значит «наблюдать», «измерять»? А если кошка станет наблюдать, это сработает? А улитка?

Будда говорил, что реальность возникает из пустоты как из неисчерпаемого источника. Пустота, или то, что называют дао в даосизме и брахман в индуизме, – понятия, очень близкие к осмыслению результатов двухщелевого эксперимента. Ведь вероятно, что реальность – это волны, набор возможностей, которые станут материей (частицами) только в присутствии наблюдателя. Объективной реальности не существует, есть только субъективная реальность, т. е. у каждого она своя. Реальность создаётся наблюдающим её умом.

Всё, что мы есть, – результат наших мыслей. Ум – это всё.

Будда

В буддизме и других восточных учениях сознание – это центр реальности. То есть сознание и создаёт реальность подобно тому, как во сне мы создаём миры сновидений. Мира, отделённого от ума, не существует.

Всякое вещество существует лишь благодаря силе, которая вызывает колебания атомных частиц и поддерживает целостность… системы атома. Мы должны предполагать, что за этой силой кроется сознательный разум, являющийся матрицей всякой материи.

Макс Планк, один из создателей квантовой теории

То, что мы наблюдаем, – это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она представляется нам благодаря нашему способу постановки вопросов.

Вернер Гейзенберг [5]5
  О нём вы узнаете далее.


[Закрыть],один из создателей квантовой теории

Вернёмся к двухщелевому эксперименту.

Возникает вопрос: а может, тут нет никакой мистики? Ведь на электрон нельзя просто «посмотреть». Посмотреть или измерить – это всегда провзаимодействовать. Частицы такие маленькие, что любое взаимодействие может сильно на них повлиять и изменить результаты эксперимента. На эту тему велись долгие дискуссии, и только в последние десятилетия удалось провести несколько экспериментов, которые приблизили нас к пониманию его результатов. Один из таких экспериментов – опыт с фуллереном.

Глава 5
Опыт с фуллереном

В 2004 году был проведён эксперимент с пучком фуллеренов (молекул, состоящих из нескольких десятков атомов углерода). Как и следовало ожидать, на экране была интерференционная картина. Затем физики немного изменили условия опыта: на пути (до щелей) фуллерены облучали лазерным лучом. Это меняло их внутреннюю температуру (энергию колебания атомов внутри молекул).

Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны. Изучая их характеристики, можно определить точное положение испустившей их молекулы. Чем выше температура, тем больше точность определения. При достаточно высокой температуре можно точно понять, в какую из щелей полетит фуллерен.

Если бы установку окружали датчики фотонов, они бы установили, на какой из щелей происходит рассеяние. Однако датчиков не устанавливали.

Было обнаружено, что увеличение нагрева приводит к размытию интерференционной картины, а затем и к полному исчезновению волновых эффектов. При температуре фуллеренов 3000 K на экране видны две чёткие полоски напротив щелей, т. е. интерференции нет.

Кажется, что одна только ВОЗМОЖНОСТЬ проследить за траекторией микрообъектов превращает их из волн в частицы. И не важно, знаем ли мы что‑либо об их местоположении. Важно только, что такую информацию принципиально возможно получить. Каким же образом фуллерены об этом «узнали»? Подробнее о таких процессах мы поговорим в следующих главах.

#физикишутят

Когда читаешь художественную литературу, сопереживаешь то одному персонажу, то другому. То ли дело учебники по квантовой физике и высшей математике! Там всегда сопереживаешь одному герою – себе.

Опыт с фуллереном кажется вам странным? Сейчас расскажу об ещё более странном эксперименте – эксперименте с отложенным выбором. Этот опыт ещё называется «квантовый ластик».

Глава 6
«Квантовый ластик» с отложенным выбором

В обычном двухщелевом эксперименте мы наблюдаем за электронами в момент, когда они проходят через щели. Мы хотим понять, через какую конкретно щель каждый электрон проходит. Как вы помните, если наблюдения нет, то мы видим интерференционную картину (электрон проявляет качества волны). Если же наблюдение есть, то интерференционная картина пропадает и на экране появляются две засвеченные полоски (электроны ведут себя как частицы).

Суть эксперимента «квантовый ластик с отложенным выбором» в том, чтобы начать наблюдать за состоянием электрона уже ПОСЛЕ того, как он прошёл щель (но до того, как электрон попал на экран).

Технически это достаточно сложный эксперимент, я не буду приводить все его детали. Гейзенберг, Шрёдингер и Бор, конечно, тоже мечтали бы провести такой опыт, но в те времена это было невозможно. Эксперимент был впервые проведён в 1999 году.

И результат показал, что и в этом случае электроны ведут себя как частицы, а не как волны!

Получается, что, проходя щели, частицы уже «знают», что их вскоре будут измерять. Они как будто получили информацию из будущего.

Это поставило под сомнение наши представления о причинной последовательности. Неужели, как утверждают некоторые учёные, настоящее выбирает прошлое?

Это очень и очень интересный феномен, который физики до конца так и не могут объяснить.

Когда я училась в школе, я была уверена, что есть только одна точка зрения на то, где и как я живу. Я – отличница, пионерка, а СССР – самая справедливая страна в мире. Всё понятно. Впервые я серьёзно задумалась о том, как по-разному можно воспринимать факты из нашей жизни, когда переписывалась с девочкой из ФРГ.

Я изучала немецкий язык, был период сближения наших стран, и тем, у кого были хорошие отметки по языку, давали «друга по письмам». Так мы практиковали язык и узнавали новое о другой культуре. Моя подруга по письмам, Хельга, писала мне, что не любит зиму, так как мёрзнет: в доме очень холодно, а отопление стоит дорого. Моё же детство проходило в типичной квартире московской многоэтажки, где было центральное отопление, и я даже никогда не задумывалась о подобных вопросах. А когда я рассказывала, как ходила отмечаться в очереди на диван, Хельга удивлённо спрашивала, почему диван нельзя просто купить. Я рассказывала о своих планах поступить в МГУ и о том, что надеюсь получать повышенную стипендию; а Хельга поражалась, что высшее образование и так бесплатное, так ещё дают довольно большую стипендию.

Так я осознала, что в картине мира другого человека любой факт моей биографии может приобретать иное значение. Но ведь и я сама могу взглянуть на факты из своей жизни под разными углами. Каждый факт может стать неожиданно важным, приобрести положительную или отрицательную оценку. Я могу своё советское детство описать, с одной стороны, как очень счастливое, а с другой – как бедное и несчастное; могу рассказать об отличной системе образования – и о том, как эта система убивает индивидуальность.

Глава 7
Объективна ли реальность

Посмотрев на результаты двухщелевого эксперимента, мы задаёмся вопросами: а существует ли вообще объективная реальность? Или реальность для каждого из нас субъективна (т. е. для каждого наблюдателя реальность своя)? Неужели Вселенная – это просто набор возможностей, совокупность волн, вплоть до момента появления сознания?

Далее мы подробнее узнаем, какие именно процессы приводят к «превращению» волн в частицы в соответствии со взглядами современной науки.

Ещё в XVIII веке были сказаны такие слова:

Объекты существуют только потому, что есть люди, которые на них смотрят.

Епископ Беркли, философ

Точно ли объективной реальности не существует?

У тех учёных, кто занимается квантовой физикой, есть фирменный ответ – ответ на многие вопросы: «Это так, но не точно».

Похоже, реальность – это нечто более сложное, чем мы можем себе представить. Вообразите, что есть цилиндр, но мы неспособны его увидеть. Мы как будто являемся существами, живущими на плоскости, и способны рассмотреть только его тени. Один из нас утверждает: это круг. А другой возражает: да нет, это квадрат. Мы можем бесконечно спорить, и каждый из нас будет по-своему прав. У каждого из нас – своя реальность.

Возможно, объективной реальности нет вовсе. Возможно, она существует, но в такой сложной форме, что мы способны увидеть только «тень» как проекцию объекта в меньшую мерность.

Точно так же и для любого объекта микромира: сказать, что это частица, – значит, представить его как проекцию более сложного объекта. То же самое касается и волны.

Резюме и задание

 Резюме

• Свет иногда ведёт себя как волна, иногда – как поток частиц. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

• Двухщелевой эксперимент – самый главный опыт квантовой физики, из которого вытекают все основные законы. Он показывает, что любые объекты микромира проявляют свойства волны. Частицы как будто одновременно проходят через две щели и проявляют на экране интерференционную картину, свойственную волнам.

• Когда в двухщелевом эксперименте у щелей ставят датчики, чтобы понять, через какую из них всё‑таки проходит электрон, он становится частицей.

• Из результатов двухщелевого эксперимента можно предположить, что поведение любых объектов микромира неразрывно связано с наличием наблюдателя. А при отсутствии сознающего наблюдателя все элементы реальности существуют в неопределённом состоянии.

• Вероятно, объективной реальности вовсе не существует.

 Задание

Поиграем в создание собственных субъективных реальностей!

На любое событие, даже если оно давно прошло, можно посмотреть с разных точек зрения. Когда мы рассказываем, например, о своём детстве, то представляем лишь один из слоёв реальности. А хорошо было бы иметь много историй и вытаскивать их, как фокусник из шляпы, в зависимости от ситуации и от имиджа, который вы хотите создать.

Придумайте свои 10 автобиографий (можно только о детстве). Все они должны быть правдивыми. Но представьте правду с разных сторон, ведь можно выбрать разные факты и интерпретировать их разными способами. Расскажите истории:

• о своём счастливом детстве;

• о несчастливом детстве;

• о том, как вам повезло с родителями;

• о том, насколько сложные у вас семейные отношения, и т. д.

Используйте хештег #арьекнига, и будем делиться друг с другом историями.

Часть 3
Всё чудесатее и чудесатее…

Вы изучите основные понятия и законы квантовой физики; узнаете, может ли объект находиться в нескольких местах одновременно, какова вероятность заключённому оказаться за тюремной стеной и «играет ли Бог в кости». А ещё попрактикуетесь использовать в жизни понятия квантовой физики и легко сможете продемонстрировать ум и эрудицию.