Простыми словами квантовая физика онлайн. Квантово-механическая теория строения атома. Квантовая физика - это просто

Классическая физика, существовавшая до изобретения квантовой механики, описывает природу в обычном (макроскопическом) масштабе. Большинство теорий в классической физике можно вывести, как приближение, действующее в привычных для нас масштабах. Квантовая физика (она же и квантовая механика) отличается от классической науки тем, что энергия, импульс, угловой момент и другие величины связанной системы ограничены дискретными значениями (квантованием). Объекты имеют особые характеристики как в виде частиц, так и в виде волн (дуальность волновых частиц). Также в этой науке есть пределы точности, с которой можно измерить величины (принцип неопределенности).

Можно сказать, что после возникновения квантовой физики в точных науках произошла своеобразная революция, позволившая заново пересмотреть и проанализировать все старые законы, которые ранее считались непреложными истинами. Хорошо это или плохо? Пожалуй, хорошо, ведь подлинная наука никогда не должна стоять на месте.

Однако "квантовая революция" стала своеобразным ударом для физиков старой школы, которым пришлось смириться с тем, что то, во что они верили раньше, оказалось лишь набором ошибочных и архаичных теорий, нуждающихся в срочном пересмотре и адаптации к новой реальности. Большинство физиков с восторгом приняли эти новые представления о хорошо знакомой науке, внеся свою лепту в ее изучение, развитие и воплощение в жизнь. Сегодня квантовая физика задает динамику всей науке, в целом. Передовые экспериментальные проекты (вроде Большого адронного коллайдера) возникли именно благодаря ней.

Открытие

Что можно сказать об основах квантовой физики? Она постепенно возникала из различных теорий, призванных объяснить явления, которые не могли быть согласованы с классической физикой, например, решение Макса Планка в 1900 году и его подход к проблеме излучения многих научных проблем, а также соответствие между энергией и частотой в статье 1905 Альберта Эйнштейна, в которой объяснялись фотоэлектрические эффекты. Ранняя теория квантовой физики была основательно переработана в середине 1920-х годов Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и другими. Современная теория сформулирована в различных специально разработанных математических концепциях. В одной из них арифметическая функция (или волновая функция) дает нам исчерпывающую информацию об амплитуде вероятности расположения импульса.

Научное исследование волновой сущности света началось более 200 лет назад, когда великие и признанные ученые того времени предложили, разработали и доказали теорию света на основе своих собственных экспериментальных наблюдений. Они назвали ее волновой.

В 1803 году известный английский ученый Томас Янг провел свой знаменитый двойной эксперимент, в результате которого написал прославленную работу «О природе света и цвета», сыгравшую огромную роль в формировании современных представлений об этих знакомых нам всем явлениях. Этот эксперимент сыграл важнейшую роль в общем признании этой теории.

Подобные опыты часто описываются в различных книгах, например, "Основы квантовой физики для чайников". Современные эксперименты с разгоном элементарных частиц, например, поиск бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере (сокращенно БАК) проводится как раз для того, чтобы найти практическое подтверждение многих сугубо теоретических квантовых теорий.

История

В 1838 году Майкл Фарадей на радость всему миру открыл катодные лучи. Вслед за этими нашумевшими исследованиями последовало заявление о проблеме излучения, так называемого, "черного тела" (1859 год), сделанное Густавом Кирхгофом, а также знаменитое предположение Людвига Больцмана о том, что энергетические состояния любой физической системы могут быть еще и дискретными (1877 год). Уже потом появилась квантовая гипотеза, разработанная Максом Планком (1900 год). Она считается одной из основ квантовой физики. Смелая о том, что энергия может как излучаться, так и поглощаться в дискретных «квантах» (или энергетических пакетах), в точности соответствует наблюдаемым закономерностям излучения черного тела.

Большой вклад в квантовую физику внес известный всему миру Альберт Эйнштейн. Находясь под впечатлением от квантовых теорий, он разработал свою. Общую теорию относительности - так она называется. Открытия в квантовой физике повлияли и на разработку специальной теории относительности. Многие ученые в первой половине прошлого века начали заниматься этой наукой с подачи Эйнштейна. Она в то время была передовой, всем нравилась, все ею интересовались. Не удивительно, ведь она закрывала столько "дыр" в классической физической науке (правда, новые тоже создавала), предлагала научное обоснование путешествий во времени, телекинеза, телепатии и параллельных миров.

Роль наблюдателя

Любое событие или состояние зависит непосредственно от наблюдателя. Обычно именно так основы квантовой физики кратко объясняются людям, далеким от точных наук. Однако в реальности все гораздо сложнее.

Это прекрасно согласуется со многими оккультными и религиозными традициями, которые испокон веков настаивали на возможности людей влиять на окружающие события. В некотором роде это еще и почва для научного объяснения экстрасенсорики, ведь теперь утверждение о том, что человек (наблюдатель) способен влиять силой мысли на физические события, не кажется абсурдной.

Каждое собственное состояние наблюдаемого события или объекта соответствует собственному вектору наблюдателя. Если спектр оператора (наблюдателя) дискретный, наблюдаемый объект может достигать только дискретных собственных значений. То есть объект наблюдения, равно как и его характеристики, полностью определяется этим самым оператором.

В отличие от общепринятой классической механики (или физики), здесь нельзя делать одновременные предсказания сопряженных переменных, таких как положение и импульс. Например, электроны могут (с определенной вероятностью) располагаться приблизительно в некой области пространства, но их математически точное положение на самом деле неизвестно.

Контуры постоянной плотности вероятности, часто называемые «облаками», могут быть проведены вокруг ядра атома, чтобы концептуализировать, где электрон может быть расположен с наибольшей вероятностью. Принцип неопределенности Гейзенберга доказывает неспособность точно выявить местонахождение частицы с учетом ее сопряженного импульса. Некоторые модели в этой теории имеют сугубо абстрактный вычислительный характер и не предполагают прикладного значения. Впрочем, часто их используют для вычисления сложных взаимодействий на уровне и прочих тонких материй. Кроме того, этот раздел физики позволил ученым предположить возможность реального существования множества миров. Возможно, в скором времени мы сможем их увидеть.

Волновые функции

Законы квантовой физики весьма объемные и разнообразные. Они пересекаются с представлением о волновых функциях. Некоторые особые создают разброс вероятностей, который по своей сути является постоянным или независимым от времени, к примеру, когда в стационарном положении энергии время как бы исчезает по отношению к волновой функции. Это один из эффектов квантовой физики, который является для нее основополагающим. Любопытный факт заключается в том, что феномен времени был кардинально пересмотрен в этой необычной науке.

Теория возмущений

Однако существует несколько надежных способов разработки решений, необходимых для работы с формулами и теориями в квантовой физике. В одном из таких методов, широко известном как "теория возмущений", используется аналитический результат для элементарной квантово-механической модели. Она была создана, чтобы добиться результатов от экспериментов для разработки еще более сложной модели, которая связана с более простой моделью. Вот такая рекурсия получается.

Этот подход особенно важен в теории квантового хаоса, которая чрезвычайно популярна для трактовки различных событий в микроскопической реальности.

Правила и законы

Правила квантовой механики фундаментальны. Они утверждают, что пространство развертывания системы является абсолютно фундаментальным (оно имеет скалярное произведение). Еще одно утверждение заключается в том, что наблюдаемые этой системой эффекты являются в то же время и своеобразными операторами, влияющими на векторы в этой самой среде. При этом они не говорят нам, какое гильбертово пространство или какие операторы существуют в данный момент. Их можно подобрать соответствующим образом, чтобы получить количественное описание квантовой системы.

Значение и влияние

С самого момента возникновения этой необычной науки многие антиинтуитивные аспекты и результаты изучения квантовой механики спровоцировали громкие философские дебаты и многие интерпретации. Даже фундаментальные вопросы, такие как правила на тему вычисления различных амплитуд и распределения вероятностей, заслуживают уважения со стороны общества и многих ведущих ученых.

Например, однажды с грустью заметил, что он совершенно не уверен в том, что кто-то из ученых вообще понимает квантовую механику. Согласно Стивену Вайнбергу, на данный момент нет той интерпретации квантовой механики, которая бы всех устраивала. Это говорит о том, что ученые создали "монстра", полностью понять и объяснить существование которого они сами не в силах. Однако это никак не вредит актуальности и популярности данной науки, а привлекает к ней молодых специалистов, желающих решать действительно сложные и непонятные задачи.

Кроме того, квантовая механика заставила полностью пересмотреть объективные физические законы Вселенной, что не может не радовать.

Копенгагенская интерпретация

Согласно этой интерпретации, стандартное определение причинности, известное нам из классической физики, больше не нужно. Согласно квантовым теориям, причинности в привычном для нас понимании не существует вообще. Все физические явления в них объясняются с точки зрения взаимодействия мельчайших элементарных частиц на субатомном уровне. Эта область, несмотря на кажущуюся невероятность, чрезвычайно перспективна.

Квантовая психология

Что можно сказать о взаимосвязи квантовой физики и сознания человека? Об этом прекрасно написано в книге, написанной Робертом Антоном Уилсоном в 1990 году, которая называется "Квантовая психология".

Согласно теории, изложенной в книге, все процессы, происходящие в нашем мозге, обусловлены законами, описанными в этой статье. То есть это своеобразная попытка адаптировать теорию квантовой физики под психологию. Эта теория считается паранаучной и не признается академическим сообществом.

Книга Уилсона примечательна тем, что он приводит в ней набор различных техник и практик, в той или иной степени доказывающих его гипотезу. Так или иначе, но читатель должен самостоятельно решить, верит он или нет состоятельность подобных попыток применить математические и физические модели к гуманитарным наукам.

Некоторые восприняли книгу Уилсона как попытку оправдать мистическое мышление и привязать его к научно доказанным новомодным физическим формулировкам. Этот весьма нетривиальный и яркий труд остается востребованным уже более 100 лет. Книгу издают, переводят и читают во всем мире. Кто знает, возможно, с развитием квантовой механики изменится и отношение научного сообщества к квантовой психологии.

Заключение

Благодаря этой замечательной теории, которая вскоре стала отдельной наукой, мы получили возможность исследовать окружающую реальность на уровне субатомных частиц. Это мельчайший уровень из всех возможных, совершенно недоступный нашему восприятию. Что физики раньше знали о нашем мире, нуждается в срочном пересмотре. С этим согласны абсолютно все. Стало очевидно, что разные частицы могут взаимодействовать друг с другом на совершенно немыслимых расстояниях, которые мы можем измерять лишь путем сложных математических формул.

Кроме того, квантовая механика (и квантовая физика) доказала возможность существования множества параллельных реальностей, путешествий во времени и прочих вещей, которые на протяжении всей истории считались лишь уделом научной фантастики. Это, несомненно, огромный вклад не только в науку, но и в будущее человечества.

Для любителей научной картины мира эта наука может быть как другом, так и врагом. Дело в том, что квантовая теория открывает широкие возможности для различных спекуляций на паранаучную тему, как это уже было показано на примере одной из альтернативных психологических теорий. Некоторые современные оккультисты, эзотерики и сторонники альтернативных религиозно-духовных течений (чаще всего - психокультов) обращаются к теоретическим построениям этой науки для того, чтобы обосновать рациональность и истинность своих мистических теорий, верований и практик.

Это беспрецедентный случай, когда простые домысли теоретиков и абстрактные математические формулы привели к самой настоящей научной революции и создали новую науку, перечеркнувшую все, что было известно ранее. В некоторой степени квантовая физика опровергла законы аристотелевской логики, поскольку показала, что при выборе "или-или" есть еще один (а, возможно, несколько) альтернативный вариант.

Физика - самая загадочная из всех наук. Физика дает нам понимание окружающего мира. Законы физики абсолютны и действуют на всех без исключения, не взирая на лица и социальный статус.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Фундаментальные открытия в области квантовой физики

Исаак Ньютон, Никола Тесла, Альберт Эйнштейн и многие другие — великие проводники человечества в удивительном мире физики, которые подобно пророкам открыли человечеству величайшие тайны мироздания и возможности управления физическими явлениями. Их светлые головы рассекли тьму невежества неразумного большинства и подобно путеводной звезде указали путь человечеству во мраке ночи. Одним из таких проводников в мире физики стал Макс Планк — отец квантовой физики.

Макс Планк не только основоположник квантовой физики, но и автор всемирно известной квантовой теории. Квантовая теория — важнейшая составляющая квантовой физики. Простыми словами, данная теория описывает движение, поведение и взаимодействие микрочастиц. Основатель квантовой физики также принес нам и множество других научных трудов, которые стали краеугольными камнями современной физики:

• теория теплового излучения;
• специальная теория относительности;
• исследования в области термодинамики;
• исследования в области оптики.

Теория квантовой физики о поведении и взаимодействии микрочастиц стала основой для физики конденсированного состояния, физики элементарных частиц и физики высоких энергий. Квантовая теория объясняет нам суть множества явлений нашего мира — от функционирования электронных вычислительных машин до строения и поведения небесных тел. Макс Планк, создатель данной теории, благодаря своему открытию позволил нам постигнуть истинную суть многих вещей на уровне элементарных частиц. Но создание данной теории — далеко не единственная заслуга ученого. Он стал первым, кто открыл фундаментальный закон Вселенной — закон сохранения энергии. Вклад в науку Макса Планка сложно переоценить. Если говорить кратко, то его открытия бесценны для физики, химии, истории, методологии и философии.

Квантовая теория поля

В двух словах, квантовая теория поля — это теория описания микрочастиц, а также их поведения в пространстве, взаимодействия между собой и взаимопревращения. Данная теория изучает поведение квантовых систем в рамках, так называемых степеней свободы. Это красивое и романтичное название многим из нас толком ничего не говорит. Для чайников, степени свободы — это количество независимых координат, которые необходимы для обозначения движения механической системы. Простыми словами, степени свободы — это характеристики движения. Интересные открытия в области взаимодействия элементарных частиц совершил Стивен Вайнберг. Он открыл так называемый нейтральный ток — принцип взаимодействия между кварками и лептонами, за что и получил Нобелевскую премию в 1979-ом году.

Квантовая теория Макса Планка

В девяностых годах восемнадцатого века немецкий физик Макс Планк занялся изучением теплового излучения и в итоге получил формулу для распределения энергии. Квантовая гипотеза, которая родилась в ходе данных исследований, положила начало квантовой физике, а также квантовой теории поля, открытой в 1900-ом году. Квантовая теория Планка заключается в том, что при тепловом излучении продуцируемая энергия исходит и поглощается не постоянно, а эпизодически, квантово. 1900-ый год, благодаря данному открытию, которое совершил Макс Планк, стал годом рождения квантовой механики. Также стоит упомянуть о формуле Планка. Если говорить кратко, то ее суть следующая — она основана на соотношении температуры тела и его излучения.

Квантово-механическая теория строения атома

Квантово-механическая теория строения атома является одной из базовых теорий понятий в квантовой физике, да и в физике вообще. Данная теория позволяет нам понять строение всего материального и открывает завесу тайны над тем, из чего же на самом деле состоят вещи. А выводы, исходя из данной теории, получаются весьма неожиданные. Рассмотрим строение атома кратко. Итак, из чего же на самом деле состоит атом? Атом состоит из ядра и облака электронов. Основа атома, его ядро, содержит в себе почти всю массу самого атома — более 99 процентов. Ядро всегда имеет положительный заряд, и он определяет химический элемент, частью которого является атом. Самым интересным в ядре атома является то, что он содержит в себе практически всю массу атома, но при этом занимает лишь одну десятитысячную его объема. Что же из этого следует? А вывод напрашивается весьма неожиданный. Это значит, что плотного вещества в атоме — всего лишь одна десятитысячная. А что же занимает все остальное? А все остальное в атоме — электронное облако.

Электронное облако — это не постоянная и даже, по сути, не материальная субстанция. Электронное облако — это лишь вероятность появления электронов в атоме. То есть ядро занимает в атоме лишь одну десятитысячную, а все остальное — пустота. И если учесть, что все окружающие нас предметы, начиная от пылинок и заканчивая небесными телами, планетами и звездами, состоят из атомов, то получается, что все материальное на самом деле более чем на 99 процентов состоит из пустоты. Эта теория кажется вовсе невероятной, а ее автор, как минимум, заблуждающимся человеком, ведь вещи, существующие вокруг, имеют твердую консистенцию, имеют вес и их можно осязать. Как же он могут состоять из пустоты? Не закралась ли ошибка в эту теорию строения вещества? Но ошибки тут никакой нет.

Все материальные вещи кажутся плотными лишь за счет взаимодействия между атомами. Вещи имеют твердую и плотную консистенцию лишь за счет притяжения или же отталкивания между атомами. Это и обеспечивает плотность и твердость кристаллической решетки химических веществ, из которых и состоит все материальное. Но, интересный момент, при изменении, например, температурных условий окружающей среды, связи между атомами, то есть их притяжение и отталкивание может слабеть, что приводит к ослаблению кристаллической решетки и даже к ее разрушению. Именно этим объясняется изменение физических свойств веществ при нагревании. Например, при нагревании железа оно становится жидким и ему можно придать любую форму. А при таянии льда, разрушение кристаллической решетки приводит к изменению состояния вещества, и из твердого оно превращается в жидкое. Это яркие примеры ослабления связей между атомами и, как следствие, ослабления или разрушения кристаллической решетки, и позволяют веществу стать аморфным. А причина таких загадочных метаморфоз как раз в том, что вещества лишь на одну десятитысячную состоят из плотной материи, а все остальное — пустота.

И вещества кажутся твердыми лишь по причине прочных связей между атомами, при ослаблении которых, вещество видоизменяется. Таким образом, квантовая теория строения атома позволяет совершенно по-другому взглянуть на окружающий мир.

Основатель теории атома,Нильс Бор, выдвинул интересную концепцию о том, что электроны в атоме не излучают энергию постоянно, а лишь в момент перехода между траекториями своего движения. Теория Бора помогла объяснить многие внутриатомные процессы, а также сделала прорыв в области такой науки, как химия, объясняя границу таблицы, созданной Менделеевым. Согласно , последний элемент, способный существовать во времени и пространстве, имеет порядковый номер сто тридцать семь, а элементы, начиная со сто тридцать восьмого, существовать не могут, так как их существование противоречит теории относительности. Также, теория Бора объяснила природу такого физического явления, как атомные спектры.

Это спектры взаимодействия свободных атомов, возникающие при излучении энергии между ними. Такие явления характерны для газообразных, парообразных веществ и веществ в состоянии плазмы. Таким образом, квантовая теория сделала революцию в мире физики и позволила продвинуться ученым не только в сфере этой науки, но и в сфере многих смежных наук: химии, термодинамики, оптики и философии. А также позволила человечеству проникнуть в тайны природы вещей.

Еще очень многое надлежит перевернуть человечеству в своем сознании, чтобы осознать природу атомов, понять принципы их поведения и взаимодействия. Поняв это, мы сможем понять и природу окружающего нас мира, ведь все, что нас окружает, начиная с пылинок и заканчивая самим солнцем, да и мы сами — все состоит из атомов, природа которых загадочна и удивительна и таит в себе еще массу тайн.

Многим людям физика кажется такой далекой и запутанной, а квантовая - уж тем более. Но я хочу раскрыть для вас завесу этой великой тайны, потому что на деле все оказывается странно, но распутываемо.

А также квантовая физика - отличный предмет для разговора с умными людьми.

Квантовая физика - это просто

Для начала вам нужно начертить в голове одну большую линию между микромиром и макромиром, потому что эти миры совершенно различны. Все, что вы знаете о привычном себе пространстве и предметах в нем, является ложным и неприемлемым в квантовой физике.

Фактически, микрочастицы не имеют ни скорости, ни определенного положения, пока ученые на них не посмотрят. Это утверждение кажется нам просто абсурдным, таковым оно казалось и Альберту Эйнштейну, но даже великий физик пошел на попятную.

Дело в том, что проводившиеся исследования доказали, что посмотрев один раз частицу, которая занимала определенное положение, а затем отвернувшись и снова посмотрев, вы увидите, что эта частица уже заняла совершенно иное положение.

Эти шаловливые частицы

Все кажется простым, но когда мы смотрим на ту же частицу, она стоит на месте. То есть эти частицы движутся только тогда, когда мы не можем этого видеть.

Суть такова, что каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности.

По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица.

Например, нейтрон имеет возможность находиться в трех положениях. Проведя исследования, вы можете обнаружить, что в первом положении он будет находиться с вероятностью 15%, во втором - 60%, в третьем - 25%.

Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.

Макромир и микромир

Если мы возьмем предмет из макромира, то увидим, что он тоже обладает шкалой вероятности, но она совершенно другая. Например, вероятность того, что отвернувшись, вы найдете свой телефон на другом конце мира равна практически нулю, но она все равно существует.

Тогда спрашивается, как же так еще не было зафиксировано подобных случаев. Это объясняется тем, что вероятность настолько мала, что человечеству пришлось бы ждать столько лет, сколько еще не прожила наша планета и целая вселенная, чтобы увидеть подобное событие. Выходит, что ваш телефон почти со стопроцентной вероятностью окажется именно там, где вы его видели.

Квантовое туннелирование

Отсюда можно выйти на понятие квантового туннелирования. Это понятие о постепенном переходе одного предмета (это если очень грубо выражаться) в совершенно другое место без каких-либо внешних воздействий.

То есть начаться все может с одного нейтрона, который в один прекрасный момент попадет в ту самую почти нулевую вероятность находиться в совершенно ином месте, а чем больше нейтронов будет находиться в другом месте, тем выше будет становится вероятность.

Конечно, для такого перехода потребуется столько лет, сколько еще не прожила наша планета, но, согласно теории квантовой физики, квантовое туннелирование имеет место быть.

Прочтите также:

• 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

Одна модель «волновая функция как реальность» уже известна и любима писателями-фантастами. Это многомировая интерпретация, выработанная в 1950-х Хью Эвереттом, который в то время был студентом Принстонского университета в Нью-Джерси. В этой модели волновая функция так сильно определяет развитие реальности, что при каждом квантовом измерении Вселенная расщепляется на параллельные миры. Иными словами, открывая коробку с котом, мы порождаем две Вселенные – одна с мёртвым котом, а другая – с живым.

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».

Услышав слова «квантовая физика» люди обычно отмахиваются: «Это что-то страшно сложное». Между тем, это совершенно не так, и в слове «квантовый» нет ровным счётом ничего страшного. Непонятного – хватает, интересного – очень много, а страшного – нет.

Про книжные полки, лесенки и Ивана Ивановича

Все процессы, явления и величины в окружающем нас мире можно разделить на две группы: непрерывные (по-научному континуальные ) и прерывные (по-научному дискретные или квантованные ).

Представьте себе стол, на который можно положить книгу. Вы можете положить книгу в любое место на столе. Справа, слева, посередине... Куда хотите – туда и положите. В этом случае физики говорят, что положение книги на столе изменяется непрерывно .

А теперь представьте книжные полки. Вы можете поставить книгу на первую полку, на вторую, на третью или на четвёртую – однако не можете поставить книгу «где-то между третьей и четвёртой». В этом случае положение книги изменяется прерывно , дискретно , квантованно (все эти слова обозначают одно и то же).

Окружающий мир полон непрерывных и квантованных величин. Вот две девочки – Катя и Маша. Их рост 135 и 136 сантиметров. Какая это величина? Рост изменяется непрерывно, он может быть и 135 с половиной сантиметров, и 135 сантиметров с четвертью. А вот номер школы, в которой девочки учатся – это величина квантованная! Допустим, Катя учится в школе № 135, а Маша – в школе № 136. Однако никто из них не может учиться в школе № 135 с половиной, правда?

Другой пример квантованной системы – шахматная доска. На шахматной доске 64 клетки, и каждая фигура может занимать только одну клетку. Можем ли мы поставить пешку где-то между клетками или поставить на одну клетку сразу две пешки? Фактически – можем, но по правилам – нет.

Континуальный спуск

А вот горка на детской площадке. Дети скатываются с неё вниз – потому что высота горки изменяется плавно, непрерывно. Теперь представьте себе, что эта горка вдруг (взмах волшебной палочки!) превратилась в лестницу. Скатиться с неё на попе уже не выйдет. Придётся идти ногами – сперва один шаг, потом второй, потом третий. Величина (высота) у нас изменялась непрерывно – а стала изменяться шагами, то есть дискретно, квантованно .

Квантованный спуск

Давайте проверим!

1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».

2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».

Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?

Ответ:

В первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.

Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!

Во всём виновата астрономия

О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами. Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало.

Её не существовало вплоть до самого начала 20 века! Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились. Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!

Загадочный спутник

В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».

Звезда Сириус и её спутник - Сириус Б

Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.

Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...

Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...

Нам нужен чудо-телескоп!

В такой телескоп люди впервые увидели спутник Сириуса

В середине 19-го века в США жил и работал выдающийся конструктор телескопов Элвин Кларк. По первой профессии он был художником, но волей случая превратился в первоклассного инженера, стеклодела и астронома. До сих пор никто не сумел превзойти его потрясающие линзовые телескопы! Один из объективов работы Элвина Кларка (диаметром 76 сантиметров) можно увидеть в Санкт-Петербурге, в музее Пулковской обсерватории...

Однако мы отвлеклись. Итак, в 1867 году Элвин Кларк построил новый телескоп – с объективом диаметром 47 сантиметров; это был самый большой телескоп в США на тот момент. В качестве первого небесного объекта для наблюдений на испытаниях был выбран именно загадочный Сириус. И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.

Из огня да в полымя...

Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку! Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!

На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота!

Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!

Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой. В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».

Совсем голова кругом...

Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая . Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.

Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).

А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.

Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, которую мы приводили в качестве примера квантовой системы, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!

Решение задачи

Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.

Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».

Люди на танцплощадке – «идеальный газ»

Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.

Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».

Люди в кафе – «квантовый газ»

Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».

Продолжим?..

Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Если эта тема вас заинтересовала, в следующих номерах «Лучика» мы можем поговорить и о других, не менее интересных, квантовых явлениях. Пишите! А пока давайте запомним главное:

1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.

2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают. Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.