Суть квантовой физики. Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика: суть простыми словами. Основы квантовой механики

Гениальный физик двадцатого века Ричард Фейнман как-то сказал, что квантовую физику вообще никто не понимает. И действительно, кажущиеся противоречащими основам здравого смысла явления корпускулярно-волнового дуализма, квантовой интерференции, переплетенности и нелокальности вот уже на протяжении века обескураживают физиков. Андрей Кананин философ и космолог, задался целью подтвердить при помощи теории квантовой физики и других последних открытий, основные положения Священного Писания. Беседу с ним вел обозреватель радиостанции «Радонеж» Александр Артамонов.

Квантовая физика подтверждает Божественное Бытие

Андрей, расскажите, пожалуйста, о том, что такое квантовая физика? Противоречит ли современная наука Библейскому взгляду на мир? Также нам немаловажно узнать о взгляде современной науки космологии на образование Вселенной.

Мы попытаемся поговорить с Вами о самых последних научных достижениях и, в то же время, как это ни странно, эти идеи подтверждают духовное Начало нашего мира.

Сегодняшнее научное понимание происхождения космоса, динамики его развития позволяют утверждать, что многие человеческие нравственные проблемы напрямую связаны с вопросом происхождения Вселенной и с процессами, которые в ней происходят. Космос кажется многим очень опасным местом, внушающим неподготовленному человеку страх или сомнение - многие думают о бесконечности холодного пространства, о ничтожности человека в этом мире. На самом деле, выясняется, что это не так! Дело в том, что все передовые специалисты - передовые физики, космологи, астрофизики - уверены в том, что наше мироздание не состоит из отдельных частей, но представляет собой единую глобальную сложную нераздельную Систему все части которой теснейшим образом связаны между собой. В течение прошлого двадцатого и ныне текущего двадцать первого века новейшие научные достижения подтверждают эти выводы.

Суть в том, что выяснилось, что теории Ньютона, Эйнштейна, Дарвина - причем неважно правильно ли или нет мы их интерпретируем - устарели. Это выяснилось именно на стыке веков, когда стало окончательно понятно, что наш мир квантовый.

- Получается, то, чему нас учат в школе, неправда?

Я бы не стал жестко говорить, что законы Ньютона неправильные. Просто более глубокое понимание мира позволяет их расширить. Разумеется, закон Ньютона правилен в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Это закон гравитации. Но с другой стороны, последнее прочтение закона гравитационного взаимодействия показывает, что речь идет не о хаотичном вращении, а о том, что это - глубоко упорядоченный процесс.

Как нам понять доказательство существования Творца при помощи квантовой физики, если, по Вашим же словам, ее на сегодня понимают толком на планете 5-8 людей?

Да, законы квантовой физики сложны. Но любая научная дисциплина основана на определенных формулах, так что если мы говорим о математическом аппарате астрофизики, то да - действительно, он очень и очень сложен. На самом же деле квантовая физика основывается на трех базисных идеях.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что те же законы Ньютона описывают мир в макроскопических масштабах - звезды, планеты... А вот квантовая физика описывает мир на микроскопическом уровне. То есть квант - это, в принципе, элементарная частица. Первые квантовые опыты были поставлены еще в 1801-ом году! То есть наука давно пытается подобраться к загадкам квантовых чудес. И именно в последние годы какие-то научные достижения уже позволяют давать чисто научную оценку тех экспериментов, некоторым из которых уже 200 лет!

Говоря об основных постулатах квантовой физики, первое, о чем надо сказать: когда сегодня при помощи современных коллайдеров, микроскопов, всей аппаратуры стали исследовать кванты, то выяснилось, что, двигаясь в пространстве, они грубо нарушают общепринятые законы физики. То есть, грубо говоря, творятся чудеса! То есть выяснилось, что чудеса научно возможны! Кванты нарушают скорость света, перемещаются по разным траекториям, возникают ниоткуда, пропадают в никуда... То есть нарушают общепринятые ортодоксальные взгляды на классический мир.

Итак: 3 кита квантовой физики. Первый постулат. Выяснилось, что миром правит не определенность, а вероятность. То есть аномалии движения частиц не невозможны, но маловероятны. В нашем мире маловероятное, как правило, не случается. В квантовом мире это возможно. Более того, само зарождение Вселенной следует признать уникальным и необычным событием. Возможно, сам момент Большого Взрыва был чудесным квантовым переходом состояния вещества из одного в другое. Опять-таки, обращаясь к Библейским текстам, посмотрите о том, о чем пишется во Втором Послании Апостола Петра: «У Господа один день, как тысяча лет». То есть Бог существует вне времени и не ограничен им. Во вневременном пространстве эти чрезвычайные события обретают реальность. Получается, по Божьей Воле.

Второй завораживающий квантовый эффект - это взаимосвязь частиц. Изменение одной квантовой системы оказывает немедленное воздействие на другую. И это распространяется не на отдельный кабинет или квартиру, а на весь Космос в целом. То есть если где-то изменить квантовое состояние системы, то моментально в любой части Космоса может быть эффект связанности. Таким образом, квантовая физика доказала, что все в нашем мире взаимосвязано.

И, наконец, третий, последний момент. Ученые установили, что наш мир не может существовать без разумного наблюдателя, то есть без человека. Ведь сама квантовая физика не работает до тех пор, пока не существует наблюдатель. То есть частица - то, что мы называем квантом - не занимает никакого определенного положения в материальном мире до тех пор, пока на нее кто-то не посмотрит. Это уникальное квантовое свойство, так называемое свойство наблюдателя. То есть до тех пор, пока квантовую частицу кто-то не пронаблюдает, невозможно сказать, где она находится и с какой скоростью она движется.

То есть квант может находиться одновременно в двух точках пространства и только когда взгляд наблюдателя падает на него, то можно зафиксировать, где он в настоящее время находится.

Да! Совершенно верно! Выяснилось, что реальность становится таковой только тогда, когда кто-то ее одухотворяет. Конечно же, мы не можем «посмотреть» на квант без соответствующей аппаратуры нашим взглядом. Но своим духовным присутствием в мире, как разумные наблюдатели, мы привносим нечто в этот мир, без чего он невозможен. В определенном смысле мы его «оживляем».

Логично предположить, что, если в нашем мире есть некая Сущность, которая оказывает влияние на его, мира, реализацию, то физики могут назвать такую сущность Сверхнаблюдателем. Люди же, далекие от квантовой физики, назовут его просто - Богом или Творцом, в зависимости от своей точки зрения.

Самое интересное заключается в том, видите ли, что христианство подтверждает сказанное мной Священным Писанием. В первой части Бытия есть очень интересная цитата: «И сказал Бог: «Сотворим человека по образу нашему и подобию нашему! И да владычествует он над рыбами морскими, над птицами небесными, над зверями, над всей землею!» То бишь, грубо говоря, получается, что Бог создавал этот мир для человека - зрителя этого мира. И об этом прямо говорится в библейских текстах.

Можно ли сделать вывод, что квантовая физика подтверждает целесообразность и одухотворенности космоса. Ведь квант и частица, и волна. Он переходит от нематериального к материальному.

Совершенно верно! Происходит переход от небытия к бытию. Главный вывод квантовой физики заключается в следующем. Миром правит вероятность. Второе: все в мире взаимосвязано. Третье: наш мир невозможен без разумного наблюдателя.

Эти постулаты подтверждают, что в нашем мире постоянно существует альтернатива. То, как мы смотрим, как мы представляем себе переход небытия в бытие - это и есть альтернатива. А что такое альтернатива? Это свобода выбора.

Разумеется, во Вселенной работают строгие научные законы. Но эти законы обусловливают лишь вероятность того или иного развития событий. А какое будущее наступит в действительности, это уже зависит от того, как свобода воли и выбора будет реализована конкретным разумным существом.

Что противоречит теории детерминизма. Такие взгляды присущи массово протестантам. Согласно этой теории, судьбы мира предопределены, и только мы, векторно ползущие по неизмеримо малой части гигантского круга, воспринимаем свое движение, как прямолинейное. То есть только мы ничего не понимаем, а на самом деле, все строго детерминировано. Мы считаем, что есть свобода воли, а на самом деле, мы просто не в курсе. Вы же, ссылаясь на квантовую физику, говорите, что существует несколько вариантов развития событий, и мы свободой воли все-таки обладаем...

Да, Вы правы! Именно с этого мы начали с Вами наш разговор о том, что, к сожалению, даже более или менее правильные концепции могут опираться на устаревшие взгляды. Детерминизм, о котором Вы упомянули, соответствует научному взгляду на мир пятьдесят лет назад. Но именно квантовая физика доказала, что это неверный постулат. Квантовая физика четко показывает, что в нашем мире существует альтернатива. Мало того: квантовая физика показывает, что эта альтернатива невозможна без разумных существ. А если разумные существа влияют на наш мир и обладают свободой воли, то получается, что протекающий здесь процесс не предопределенный, но вероятный! То есть от человеческой воли и понимания, что такое добро и что такое зло, проистекает некое влияние на мир.

То есть получается, что без наличия Разума - не человека, а именно Божественного Логоса - Вселенная просто не могла бы существовать?

Да. И главный смысл в том, что Вселенная - это не равнодушный зловещий механизм, в котором нет места творческому началу, а эволюция мироздания лишена какой-либо цели и смысла. Кстати, бессмысленное существование - это одна из форм Зла, если обращаться к библейским текстам.

Я же говорю несколько о другом. Понимаете, полезные свойства металла человек может обратить во вред, ударив - не дай Бог! - ножом другого человека! Теоретически можно допустить, что некая Сущность, некий Творец мог бы постоянно вмешиваться в эти процессы, превращая те же ножи в... плюшевые игрушки... Но разве такой мир интересен? Это мир автоматов, в котором нет места любви, чувствам, а главное, выбору! А уж какой выбор сделает человек - в пользу Добра или Зла - это уже его нравственный императив. Теперь Вы понимаете, насколько тесна взаимосвязь между вот этими нашими выборами и теми событиями, которые происходят, как на микроуровне во Вселенной, так и в макроплоскости.

О квантовой физике, мозге, теореме Геделя и судах присяжных. Алексей Редозубов (2015)

Третья часть из трех лекций о принципах работы мозга. Лекции прочитаны в клубе Ключ (Петербург). Это выступление было записано 9 января 2015 г. в рамках проекта «Курилка Гутенберга». Формат был невероятно сжатый (30 минут), получилась скороговорка, но зато не скучно. Ну и куда же без оговорок, например, упорно называл Хокинга Хокинсом

Квантовая механика и философия

Выступление д.ф.н., проф. Севальникова А.Ю. (Институт философии РАН) в рамках открытого междисциплинарного семинара МГУ имени М.В.Ломоносова «На стыке наук и идей».

Тайны мироздания: Серия 1 - Искривление времени

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».

• 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».

29.10.2016

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.

Пустое пространство – не пусто

Современные исследования показали: пустое пространство – не пусто. Оно наполнено колоссальной энергией. В каждом кубическом сантиметре абсолютного вакуума этой энергии столько, сколько не содержится во всех материальных объектах нашей Вселенной!

А если копнуть еще глубже? За тысячи лет до Демокрита индийские мудрецы знали, что за пределами реальности, которая воспринимается нашими органами чувств, существует другая, более «важная» реальность. Индуизм учит: мир внешних форм – это всего лишь майя, иллюзия. Он совсем не таков, как мы его воспринимаем. Есть «высшая реальность» – более фундаментальная, чем материальная Вселенная. Из нее исходят все феномены нашего иллюзорного мира, и она каким-то образом связана с человеческим сознанием.

По существу, нет ничего имеющего какое-то значение – все абсолютно иллюзорно. Даже самые массивные предметы – все это невещественная материя, очень смахивающая на мысль; в общем, все вокруг – сконцентрированная информация. – Джеффри Сатиновер, доктор медицины

К этому же пришла сегодня и квантовая физика. Ее положения таковы: в основе физического мира лежит абсолютно «нефизическая» реальность; это реальность информации, или «вероятностных волн», или сознания. Если говорить более определенно, то следует выразиться так: на своих глубинных уровнях наш мир представляет собой фундаментальное поле сознания; оно создает информацию, определяющую существование мира

Ученые выяснили, что атомная система – ядро и электроны – представляет собой не совокупность микроскопических материальных тел, а устойчивый волновой паттерн. Затем оказалось, что об устойчивости говорить не приходится: атом – это кратковременное взаимное наложение (сгущение) энергетических полей. Добавим к этому следующий факт. Соотношения линейных размеров ядра, электронов и радиусов электронных орбит таково, что можно смело утверждать: атом почти полностью состоит из пустоты. Удивительно, как это мы не проваливаемся сквозь стул, когда садимся на него – ведь он есть одна сплошная пустота! Правда, и пол таков же, и земная поверхность… Есть ли в мире что-нибудь достаточно «наполненное», чтобы мы не провалились?!

Что реальнее – сознание или материя?

Доктор медицины Эндрю Ньюберг исследовал духовный опыт, полученный разными людьми, как невролог и описал результаты своей работы в книгах «Почему не уходит Бог? Наука о мозге и биология веры» и «Мистический ум. Исследование биологии веры». «Человек, испытавший духовное озарение, – пишет он, – ощущает, что прикоснулся к подлинной реальности, которая является фундаментом и причиной всего остального». Материальный мир представляет собой некий поверхностный, вторичный уровень этой реальности.

«Нам необходимо тщательно исследовать отношения между сознанием и физической Вселенной. Возможно, материальный мир – производный от реальности сознания; возможно, сознание – это основной материал Вселенной». Доктор Ньюберг

Реальность – результат выбора?

А может быть, наши ежесекундные интерпретации реальности в повседневной жизни – просто результат выбора «демократического большинства»? Или, говоря другими словами, реальным представляется то, что считает реальностью большинство людей? Если в комнате находится десять человек и восемь из них видят стул, а два – марсианина, кто из них сошел с ума? Если двенадцать человек воспринимают озеро как замкнутую в берегах водную массу, а один считает его сплошным твердым телом, по которому можно ходить, – кто из них бредит?

Возвращаясь к понятиям предыдущей главы, мы теперь можем сказать: парадигма – это просто общепринятая модель того, что считается реальным. Мы голосуем за эту модель своими действиями, и она становится нашей реальностью. Но тогда возникает Великий Вопрос: «Может ли сознание творить реальность?» Не потому ли никто так и не дал ответа на этот вопрос, потому что сама реальность и есть ответ?

Эмоции и восприятие мира

Есть чисто анатомическое свидетельство того, что информацию о мире нам дает мозг, а не глаза. В том месте глазного яблока, где оптический нерв проходит к задней части мозга, нет никаких зрительных рецепторов. Поэтому следовало бы ожидать: если мы закроем один глаз, увидим в центре «картинки» черное пятно. Но этого не происходит – и только потому, что «картинку» рисует мозг, а не глаз.

Мало того – мозг не делает различия между тем, что человек реально видит, и тем, что он воображает. Похоже, что он даже не видит разницы между выполненным и воображаемым действием.

Этот феномен открыл в 1930-х годах доктор медицины Эдмунд Джекобсон (создатель техники постепенного расслабления в целях снятия стресса). Он просил испытуемых представить себе определенные физические действия. И обнаружил: в процессе визуализации их мышцы едва заметно сокращаются в точном соответствии с теми движениями, которые совершались мысленно. Теперь эту информацию используют спортсмены всего мира: они включают в программу подготовки к соревнованиям визуальные тренировки.

Ваш мозг не видит разницы между миром внешним и миром вашего воображения. – Джо Диспенза

Исследования доктора Перт из Национального института здоровья (США) позволяют предположить: восприятие мира человеком определяется не только его представлениями о том, что реально, а что – нет, но и его отношением к информации, поставляемой органами чувств.

От последнего во многом зависит, воспримем ли мы что-либо, а если воспримем, то как именно. Доктор говорит: «Наши эмоции определяют то, на что стоит обращать внимание… И решение о том, что достигнет нашего сознания, а что будет отброшено и останется на глубинных уровнях тела, принимается в момент воздействия внешних раздражений на рецепторы».

Итак, суть дела более или менее ясна. Мы сами создаем мир, который воспринимаем. Когда я открываю глаза и оглядываюсь вокруг, то вижу не реальность «как она есть», а мир, который способно воспринять мое «сенсорное оборудование» – органы чувств; мир, который позволяет мне видеть моя вера; мир, отфильтрованный эмоциональными предпочтениями.

Основы квантовой механики

Известное встречается с неизвестным

За последующее столетие возникла совершенно новая наука, известная как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория. Она не заменяет ньютоновскую физику, которая прекрасно описывает поведение крупных тел, т. е. объектов макромира. Она была создана, чтобы объяснить субатомный мир: в нем теория Ньютона беспомощна.

Вселенная – очень странная штука, – говорит один из основателей нанобиологии доктор Стюарт Хамерофф. – Похоже, есть два набора законов, управляющих ею. В нашем повседневном, классическом мире все описывается ньютоновскими законами движения, открытыми сотни и сотни лет назад… Однако при переходе в микромир, на уровень атомов, начинает действовать совершенно иной свод «правил». Это – квантовые законы».

Факты или фантастика? Одно из самых глубоких философских различий между классической и квантовой механикой заключается в следующем: классическая механика построена на идее о возможности пассивного наблюдения за объектами… квантовая механика насчет этой возможности никогда не заблуждалась. – Дэвид Альберт, доктор философии

Факты или фантастика?

Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно! (Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!) Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.

Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно – находясь друг от друга на любом удалении.

Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика – вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.

Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет. Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом и объектом, наблюдателем и наблюдаемым – а ведь оно властвовало над учеными умами в течение 400 лет!

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной – все принимает участие в ее существовании.

Наблюдатель

Мое сознательное решение о том, как наблюдать электрон, в некоторой степени будет определять свойства электрона. Если я буду интересоваться им как частицей, то получу о нем ответ как о частице. Если буду интересоваться им как волной – получу о нем ответ как о волне. Фритьоф Капра, физик, философ

Наблюдатель влияет на наблюдаемое

До того, как проводится наблюдение или измерение, объект микромира существует в виде вероятностной волны (строже – в качестве волновой функции).

Она не занимает никакого определенного положения и не имеет скорости. Волновая функция представляет собой лишь вероятность того, что при наблюдении или измерении объект возникнет здесь или там. Он имеет потенциальные координаты и скорость – но мы не будем знать их до тех пор, пока не начнем процесс наблюдения.

«В связи с этим, – пишет физик-теоретик Брайан Грин в книге «Ткань космоса», – когда мы определяем положение электрона, мы не измеряем объективное, ранее существовавшее свойство реальности. Скорее акт измерения плотно вплетен в создание самой измеряемой реальности». Утверждение Фритьофа Капра логически завершает рассуждения Грина: «Электрон не имеет объективных свойств, не зависимых от моего сознания».

Все это стирает грань между «внешним миром» и субъективным наблюдателем. Они, похоже, сливаются в процессе обнаружения – или создания? – окружающего нас мира.

Проблема измерения

Идея о том, что наблюдатель неизбежно влияет на любой наблюдаемый им физический процесс; о том, что мы не нейтральные свидетели происходящего, просто-напросто обозревающие предметы и события, впервые была высказана Нильсом Бором и его коллегами из Копенгагена. Вот почему эти положения часто называют копенгагенской интерпретацией.

Бор утверждал: принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает нечто большее, чем невозможность точно одновременно определить скорость и положение субатомной частицы.

Вот как описывает выдвинутые им постулаты Фред Алан Вольф: «Дело не только в том, что вы не можете измерить нечто. Этого «нечто» вообще нет – до тех пор, пока вы не начнете его наблюдать.

Гейзенберг же полагал, что оно существует само по себе». Гейзенберг не решался признать, что до вовлечения в процесс наблюдателя не было никакого «нечто». Нильс Бор не только утверждал это, но и решительно развил свои предположения.

Так как частицы не возникают до тех пор, пока мы не начнем их наблюдать, говорил он, то реальность на квантовом уровне не существует – до тех пор, пока никто ее не наблюдает и не ведет в ней измерения.

До сих пор в научной среде ведутся горячие споры (это стоит скорее назвать яростными дебатами!) о том, является ли именно человеческое сознание наблюдателя причиной «схлопывания» и перехода волновой функции в состояние частицы?

Писательница и журналистка Линн Мактаггарт так выражает эту мысль, избегая научных терминов: «Реальность – это незастывшее желе. Это не сам мир, а его потенциальность. А мы своей причастностью к нему, актом наблюдения и осмысления, заставляем это желе застыть. Так что наша жизнь – неотъемлемая часть процесса создания реальности. Его определяет наше внимание».

Во Вселенной Эйнштейна объекты обладают точными значениями всех возможных физических параметров. Большинство физиков сказали бы сейчас, что Эйнштейн ошибался. Свойства субатомной частицы проявляются только тогда, когда их принуждают к этому измерения… В тех случаях, когда они не наблюдаются… параметры микросистемы пребывают в неопределенном, «туманном» состоянии и характеризуются исключительно вероятностью, с которой может реализоваться та или иная потенциальная возможность. – Брайан Грин, «Ткань космоса» Зачем

Квантовая логика

Квантовая логика На вопрос о том, остается ли электрон неизменным, мы вынуждены ответить: «Нет». Если нас спрашивают, изменяется ли со временем положение электрона, мы должны сказать: «Нет». Если нам задают вопрос, остается ли электрон в покое, мы отвечаем: «Нет». На вопрос о том, находится ли электрон в движении, мы говорим: «Нет». – Дж. Роберт Оппенгеймер, создатель атомной бомбы

Квантовая логика Джона фон Неймана выявила главную часть проблемы измерения: к измерению приводит лишь решение наблюдателя. Это решение ограничивает степени свободы квантовой системы (например, волновой функции электрона) и таким образом влияет на результат (реальность).