Теория квантовой физики кратко: Наука без правил: квантовая физика - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Наука без правил: квантовая физика

Глеб КузьминНаука

Теги: Физика

17:27 28 августа 2020

Нильсу Бору приписывают цитату: «Если квантовая физика тебя не испугала, значит, ты ничего в ней не понял». И действительно, если и есть в мире науки вещь, которую даже не все ученые в состоянии понять и доступно объяснить, то это квантовая физика. Она зародилась совсем недавно, в начале прошлого века, но уже произвела фурор, навсегда изменила наши представления о мире и известна своими парадоксами.

4022 0 0

отправить по e-mail

Иллюстрация: Agsandrew, keithandbarbarasporch.ﬁles.wordpress.com

Часть 1. Первые сомнения

В физике конца XIX века царило оптимистичное настроение – весь мир активно развивался благодаря научным достижениям, и казалось, что технический прогресс будет бесконечно приносить новые блага.

Тогда вся физика, как еще совсем недавно Земля, держалась на трех китах – трех законах Ньютона. Они составляют основу классической механики, благодаря им мы можем описывать движение тел под воздействием сил: и падение яблока со стола, и перемещение машины по дороге. К трем китам позже добавились уравнения Максвелла – такая же основа, но уже в электродинамике. Именно им мы обязаны многим, уже базовым технологиям вроде электричества, так как с их помощью описываются практически все магнитные и электрические явления. В конце XIX века ученым казалось, что осталось совсем немного, и скоро все тайны физики наконец будут ими раскрыты.

Но в то же время из абсолютно разных областей физики начали появляться экспериментальные данные, которые ньютоновская механика объяснить не могла. Эти данные шли от явлений абсолютно разных масштабов – от света огромных звезд и от мельчайших молекул и атомов. Ученые начали сомневаться и задумываться: а почему так? Пожалуй, именно появление таких сомнений и можно считать зарождением квантовой физики. Ее историю принято связывать с открытиями Макса Планка в 1900 году, но на самом деле шагнуть в прошлое стоит еще дальше – в Швецию 1888-го года. Тогда в городе Лунде физик Йоханнес Ридберг вывел свою самую знаменитую формулу. Она описывала длины волн в спектрах излучения атомов. Попробуем разобраться. С точки зрения физики мы окружены электромагнитными волнами – это и видимый свет, и радиоволны, и рентгеновское излучение. Чтобы их описывать, физики используют несколько характеристик, и одна из них – длина волны.

Если частицу вещества нагреть, чтобы она стала светиться, то получится набор отдельных узких полосок определенного цвета – спектр. У каждого вещества он свой, неповторимый. resh.edu.ru

Получается, все звезды, включая Солнце, постоянно излучают электромагнитные волны, часть из которых мы можем легко увидеть.

Еще в середине XIX века ученые заметили, что каждый химический элемент имеет свой спектр излучения – в упрощенном варианте это можно представить как разные цвета какого-либо элемента при нагреве.

При этом важной деталью было то, что каждый атом испускал волны только с определенной длиной. И именно Йоханнес Ридберг предложил формулу, которая смогла описать эту зависимость и даже предсказать новые линии в спектрах некоторых элементов. Это на первый взгляд незначительное открытие по сей день приносит свои плоды в космологии – ведь в звездах происходят разные реакции, а сами они состоят из определенных химических элементов. С помощью формулы Ридберга ученые могут точнее определять состав звезд и понимать происходящие в них процессы. Но самое главное, что именно формула Ридберга в свое время послужила доказательством модели атома Нильса Бора. Но об этом – чуть позже.

Йоханнес Ридберг

Часть 2. Все было хорошо, пока не пришел Планк

1900 год ознаменовался формулой Планка. Для физики того времени это было спасательным кругом – во-первых, формула Планка разрешила мучительный парадокс, известный как ультрафиолетовая катастрофа, а во-вторых, она показала, что классической физики недостаточно для описания многих процессов (

подробнее об этом читайте здесь).

Макс Планк попал в несколько неудобное положение. С одной стороны, при помощи своей формулы он смог разрешить парадокс, а с другой – предположил что-то полностью противоречащее классической физике. Он заявил, что энергия электромагнитного излучения переносится в виде маленьких частей, или квантов. С этой революционной гипотезы и началась вся современная квантовая механика.

Макс Планк famousscientists.org

Идеи Планка о квантах развил и расширил Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал работу, объясняющую явление фотоэффекта – испускание телом электронов при падении на него фотонов.

Самый простой пример применения фотоэффекта – это солнечные батареи. Одним из ключевых предположений Эйнштейна для квантовой механики и было существование световых квантов – фотонов. При этом Эйнштейн отметил, что описание света в виде отдельных частиц прекрасно подходит для описания фотоэффекта, но описание света в виде волн в классической оптике прекрасно подходит для описания всех оптических явлений.

Таким образом, он предвосхитил следующий этап в развитии физики – корпускулярно-волновой дуализм, когда свет (и не только) рассматривается одновременно как волна и как частица.

Альберт Эйнштейн famousscienfamousscientists.org

Фотоэлектрический эффект в твердом теле: ультрафиолетовый свет выбрасывает свет электроны из кристалла Иллюстрация: Ponor ru.wikipedia.org

Часть 3. Счастливый финал

Параллельно с описанием природы света ученые бились над устройством атома. Это сейчас о нем можно узнать на уроке физики в школе, а в начале XX века десятки ученых пытались изучить эту крохотную частицу. К тому времени уже точно было понятно, что атом не имеет заряда и в нем содержатся отрицательно заряженные частицы – электроны. Первым свое видение предложил англичанин Джозеф Джон Томсон в 1904 году – он предположил, что атом представляет из себя некое облако с положительным зарядом, в котором плавают электроны с отрицательным зарядом.

Такую модель можно представить как кекс с изюмом – изюм играет роль электронов, а сам кекс – роль положительно заряженного облака.

Джозеф Джон Томсон и его модель атома 1904 года. famousscientists.org

Такая «вкусная» модель строения атома не прошла проверку временем – уже в 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что у атома в центре должно быть положительно заряженное ядро, и предложил свою модель атома – планетарную.

В ней электроны вращались вокруг положительно заряженного ядра, как вращаются планеты вокруг звезды. Однако и эта модель имела свои недостатки – согласно классической физике, электроны в таком атоме должны были практически мгновенно падать на ядро, при этом было очевидно, что это не происходит. Дело в том, что при вращении электрона вокруг ядра он испытывает ускорение, а согласно законам электродинамики в таком случае он должен терять энергию за счет излучения электромагнитных волн. Но при потере энергии электрон упадет на ядро, что сделает атом нестабильным, и «выведет его из строя» – тогда мира просто бы не существовало.

Эрнест Резерфорд и его модель атома 1911 года. famousscientists.org

Спустя всего лишь два года Нильс Бор предложил свою модель атома, ближе всех оказавшись к истине. В качестве основы он взял модель Резерфорда, но добавил в нее стационарные орбиты. Так, электрон мог вращаться только по этим орбитам и переходить с одной на другую с излучением или поглощением энергии. Таким образом электрон больше не падал на ядро. Более того, переходы электронов с одной орбиты на другую сопровождались испусканием квантов, что прекрасно объясняло линии в спектрах химических элементов и давало еще одно подтверждение формуле Ридберга, с которой мы и начали рассказ о квантовой механике. Как итог – квантовая механика окончательно вошла в научный мир, а классической физике пришлось подвинуться. Важно понимать, что все эти открытия происходили в разных странах, в разные временные периоды и довольно сумбурно. Но в итоге вылились в то, о чем сейчас говорит весь научный мир.

Нильс Бор, famousscientists.org Согласно модели атома Бора электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона

Часть 4. Продолжение следует

На этом полная перипетий история квантовой физики не закончилась, как и не закончится она еще довольно долго. Вместо точки пришлось поставить запятую, когда Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение, а через три года его модифицировал Поль Дирак. По важности эти уравнения можно сопоставить с уравнениями Максвелла в электродинамике или с уравнениями Ньютона в классической механике. Именно этот период и сделал квантовую механику общепризнанной частью физики и, более того, показал, что классическая механика является лишь частным случаем квантовой.

Так что же описывает уравнение Шредингера? Говоря простыми словами – изменение состояния квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. А квантовое состояние – это набор значений, который однозначно описывает квантовую систему. Например, если взять в качестве системы движущуюся машину (которая, конечно, не является квантовой системой), то ее состояние можно описать координатами в пространстве, скоростью и ускорением. Для квантовых систем состояние будет характеризоваться другими величинами, но суть останется той же. Более того, в случае квантовых систем волновая функция (а точнее, ее квадрат) из уравнения Шредингера описывает даже не состояния системы, а вероятность системы находиться в одном из этих состояний – то есть система находится не в одном состоянии, а как бы сразу во всех одновременно (в физике это называется суперпозицией состояний). На примере автомобиля это можно представить как нахождение его на всей длине трассы одновременно. Однако уравнение Шредингера не может описывать состояния для частиц со спином и для частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Тут на помощь приходит уравнение Дирака, в итоге и ставшее основным уравнением квантовой механики – оно позволяет учесть все эти эффекты и описывать квантовые состояния в более сложных системах.

Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение. Оно описывает изменение состояния квантовой системы, которое задается квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. И его модель атома

Таким образом, к концу 20-х годов XX века физики, наконец, получили практически все основные формулы для создания новой области науки – квантовой механики. Финалом всех этих исследований стала Копенгагенская интерпретация – общее объяснение и толкование всех ранее описанных явлений и формул. Ее необходимость была очевидна, потому что квантовая механика содержала огромное количество парадоксов и явлений, трудных для понимания. Копенгагенская интерпретация собрала в себе общие постулаты квантовой механики и способы их толкования. Например, особенность квантовых состояний, которые находятся одновременно в суперпозиции всех состояний, но при измерении показывают только одно, трактуется следующим образом: при измерении состояния квантовой системы происходит редуцирование волновой функции, и система оказывается в одном состоянии, а не во всех сразу. Таким образом, измерение объекта приводит к изменению его состояния – результат, невообразимый в классической физике. Но, несмотря на все проблемы такого толкования, Копенгагенская интерпретация остается одной из ведущих теорий в квантовой механике, наряду с более новой Многомировой интерпретацией.

Создание квантовой физики стало переломным моментом. Она показала, как небольшие несостыковки и парадоксы в классической физике, которые поначалу замечали немногие, привели к появлению нового раздела в физике. С другой стороны, она объединила ученых практически из всех стран, и каждый из них внес значительную часть в итоговую модель квантовой физики. Это и шведский ученый Ридберг, и английские физики Томсон и Дирак, и немецкие ученые Эйнштейн и Планк, и французский ученый де Бройль, и датский физик Бор, и японец Хантаро Нагаока, и наши соотечественники Иоффе и Лебедев. Может показаться, что эти люди работали над своими трудами отдельно, каждый над чем-то своим, но это далеко не так. Практически все они общались и переписывались, делились своими идеями и наблюдениями, обсуждали различные гипотезы. Пожалуй, такую организацию науки и можно назвать одним из главных достижений квантовой физики – когда ученые работают сообща и за счет этого достигают невиданных ранее результатов, которые помогли совершить небывалый скачок в технологиях в середине XX века.

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Наука

Глеб Кузьмин

Машины и Механизмы

Статья опубликована в журнале «Машины и механизмы» (№180, сентябрь 2020).

Теги: Физика

Квантовая физика

Определение 1

Квантовая физика, представляя собой один из разделов теоретической физики, который занимается изучением квантово-механических и квантово-полевых систем, а также законов их движений. Квантовая физика сосредоточена исключительно на математическом описании измерительных и наблюдательных процессов.

Главные законы квантовой физики ориентированы на квантовую механику и квантовую теорию поля. Также они применяются и в некоторых других разделах физики. На квантовую механику опираются также все современные космологические теории.

История возникновения квантовой физики

Зарождение квантовой физики представляет собой продолжительный и постепенный процесс, занявший более 25 лет. Так, 27 лет прошло от первого употребления такого понятия, как «квант», до разработки так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Замечание 1

Непосредственными участниками развития квантовой теории выступили такие ученые, как М. Борн, М. Планк, П. Эренфест, Э. Шредингер, а также В. Гейзенберг, П. Дирак и В. Паули.

Если проследить хронологию развития квантовой физики и ее основные события, то она будет выглядеть следующим образом:

50-60-е годы XIX в. У. Гамильтон высказывает сомнение в адрес стандартного изложения классической механики и предлагает свой вариант. Так, по его версии, классическая механика описывает движение тел не точно, а только приближенно, аналогично геометрической оптике, описывающей движение световых лучей в то время, как свет в действительности это волна. Гамильтон выстраивает полную аналогию геометрической оптики тел для классической механики, получившую название формализма Гамильтона-Якоби.
1895 г. В. Рентген обнаруживает при проведении исследований катодных лучей интересный факт: на месте их падения на стекло трубки (помимо фосфоресценции в видимом свете) возникает еще какое-то глубокое излучение. Свое открытие физик именует явлением Х-лучей. В электрическом и магнитном полях такие лучи не отклоняются, поэтому они не заряжены. При этом для ученых остается открытым вопрос корпускулярной и волновой природы излучения.
1900 г. Планк после 5-летних исследований проблем излучения абсолютно черного тела решает применить к вышеуказанному излучению метод Гиббса (метод максимальной энтропии) для континуума гармонических осцилляторов. Планк при этом заменяет непрерывный спектр энергетических состояний осциллятора на дискретный с шагом, пропорциональным его частоте: $\delta E=hν$. Полученная формула точно описывает спектр излучения, не используя при этом предельный переход.
1928 г. Дирак после продолжительных попыток получает основное уравнение квантовой механики (названо уравнением Дирака). Также удается определить такие понятия, как коэффициент-2, бесконечные энергии, позитроны, квантовая электродинамика.

Основные положения квантовой физики

К основным положениям квантовой физики относятся следующие:

Энергия в любом виде может поглощаться или, наоборот, выделяться исключительно отдельными порциями. При этом, они могут состоять только из целого числа условных объектов (квантов). Энергия одного кванта характеризуется частотой и коэффициентом пропорциональности.
Любое физическое тело можно описать в виде волны и материального объекта одновременно.
А. Эйнштейн выдвигает теорию о том, что свет можно считать состоящим из отдельных квантов. 3}$
Эйнштейн при этом утверждает, что данное соотношение, полученное при динамическом равновесии, не только демонстрирует противоречие опыту, но и утверждает невозможность однозначного распределения энергии между веществом и эфиром, поскольку суммарная энергия излучения получается бесконечной.
Квантовая теория поля
Квантовая теория поля ориентирована на изучение поведения квантовых систем, имеющих бесконечно большое число степеней свободы. Такая теория представляет теоретическую основу для описания микрочастиц, а также их превращений и взаимодействий.
Именно квантовая теория поля служит базой для физики:
- высоких энергий;
- элементарных частиц;
- конденсированных состояний.
Квантовая теория поля в формате стандартной модели представляет сегодня единственную экспериментально подтвержденную теорию, способную описать и предсказать, как поведут себя элементарные частицы при высоких энергиях (значительно превышающих их энергию покоя). 4$
Что такое квантовая теория? – Определение из WhatIs.com
По
- Айви Вигмор
Квантовая теория — это теоретическая основа современной физики, объясняющая природу и поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне. Природа и поведение материи и энергии на этом уровне иногда называют квантовой физикой и квантовой механикой. Организации в нескольких странах выделили значительные ресурсы на развитие квантовых вычислений, которые используют квантовую теорию для радикального улучшения вычислительных возможностей по сравнению с тем, что возможно при использовании современных классических компьютеров.
В 1900 году физик Макс Планк представил свою квантовую теорию Немецкому физическому обществу. Планк стремился открыть причину того, что излучение светящегося тела меняет цвет с красного на оранжевый и, наконец, на синий при повышении его температуры. Он обнаружил это, сделав предположение, что энергия существует в отдельных единицах таким же образом, как и материя, а не просто как постоянная электромагнитная волна, как предполагалось ранее, и, следовательно, поддается количественному измерению .0023 , он смог найти ответ на свой вопрос. Существование этих единиц стало первым предположением квантовой теории.
Планк написал математическое уравнение, включающее цифру для представления этих отдельных единиц энергии, которую он назвал квантами . Уравнение очень хорошо объясняло явление; Планк обнаружил, что при определенных дискретных уровнях температуры (кратных базовому минимальному значению) энергия светящегося тела будет занимать разные области цветового спектра. Планк предполагал, что после открытия квантов еще не возникла теория, но на самом деле само их существование предполагало совершенно новое и фундаментальное понимание законов природы. Планк получил Нобелевскую премию по физике за свою теорию в 1918, но разработки различных ученых за тридцатилетний период внесли свой вклад в современное понимание квантовой теории.
Развитие квантовой теории
В 1900 году Планк сделал предположение, что энергия состоит из отдельных единиц или квантов.
В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что не только энергия, но и само излучение квантуется таким же образом.
В 1924 году Луи де Бройль предположил, что нет принципиальной разницы в составе и поведении энергии и материи; на атомном и субатомном уровне любой из них может вести себя так, как если бы он состоял из частиц или волн. Эта теория стала известна как принцип корпускулярно-волнового дуализма : элементарные частицы как энергии, так и материи ведут себя, в зависимости от условий, как частицы или волны.
В 1927 году Вернер Гейзенберг предположил, что точное одновременное измерение двух взаимодополняющих величин, таких как положение и импульс субатомной частицы, невозможно. Вопреки принципам классической физики, их одновременное измерение неизбежно ошибочно; чем точнее измерено одно значение, тем более ошибочным будет измерение другого значения. Эта теория стала известна как принцип неопределенности, что вызвало известное замечание Альберта Эйнштейна: «Бог не играет в кости».
Копенгагенская интерпретация и теория многих миров
Двумя основными интерпретациями последствий квантовой теории для природы реальности являются копенгагенская интерпретация и теория многих миров. Нильс Бор предложил копенгагенскую интерпретацию квантовой теории, утверждающую, что частица есть то, чем она измеряется (например, волна или частица), но нельзя предполагать, что она обладает определенными свойствами или даже существует до тех пор, пока это измеряется. Короче говоря, Бор говорил, что объективной реальности не существует. Это переводится в принцип, называемый суперпозицией, который утверждает, что, хотя мы не знаем, в каком состоянии находится любой объект, на самом деле он находится во всех возможных состояниях одновременно, пока мы не пытаемся проверить.
Чтобы проиллюстрировать эту теорию, мы можем использовать известную и несколько жестокую аналогию с котом Шредингера. Сначала берем живого кота и помещаем его в толстый свинцовый ящик. На данном этапе сомнений в том, что кошка жива, не возникает. Затем мы бросаем флакон с цианидом и запечатываем коробку. Мы не знаем, жива ли кошка или капсула с цианидом разбилась, и кошка умерла. Поскольку мы не знаем, кот и мертв, и жив, согласно квантовому закону – в суперпозиции состояний. Только когда мы открываем коробку и видим, в каком состоянии находится кошка, суперпозиция теряется, и кошка должна быть либо жива, либо мертва.
Вторая интерпретация квантовой теории — это теория многих миров (или мультивселенной ). Она утверждает, что как только существует возможность для любого объекта находиться в каком-либо состоянии, вселенная этого объекта превращается в серию параллельных Вселенные равны числу возможных состояний, в которых может существовать этот объект, причем каждая вселенная содержит единственное уникальное возможное состояние этого объекта. таким образом, чтобы все возможные состояния были затронуты тем или иным образом. Стивен Хокинг и покойный Ричард Фейнман принадлежат к числу ученых, отдавших предпочтение теории многих миров9.0014
Влияние квантовой теории
Несмотря на то, что ученые на протяжении всего прошлого века отказывались принимать выводы из квантовой теории, в том числе Планк и Эйнштейн, принципы этой теории неоднократно подтверждались экспериментами, даже когда ученые пытались их опровергнуть. Квантовая теория и теория относительности Эйнштейна составляют основу современной физики. Принципы квантовой физики применяются во все большем числе областей, включая квантовую оптику, квантовую химию, квантовые вычисления и квантовую криптографию.
Последнее обновление: октябрь 2020 г.
Продолжить чтение О квантовой теории
https://searchdatacenter.techtarget.com/feature/5-quick-quantum-computing-terms-to-learn
5 терминов для быстрого изучения квантовых вычислений
PBS объясняет квантовую механику
Новая квантовая теория может объяснить течение времени
Новый ученый исследует квантовый мир
неизменяемая инфраструктура
Неизменяемая инфраструктура — это подход к управлению службами и развертыванием программного обеспечения на ИТ-ресурсах, при котором компоненты заменяются, а не изменяются.
ПоискСеть
восточно-западный трафик
Трафик Восток-Запад в контексте сети — это передача пакетов данных с сервера на сервер в центре обработки данных.
CBRS (Гражданская широкополосная радиослужба)
Служба широкополосной радиосвязи для граждан, или CBRS, представляет собой набор операционных правил, заданных для сегмента общего беспроводного спектра и …
частный 5G
Private 5G — это технология беспроводной сети, которая обеспечивает сотовую связь для случаев использования частных сетей, таких как частные …
ПоискБезопасность
Что такое модель безопасности с нулевым доверием?
Модель безопасности с нулевым доверием — это подход к кибербезопасности, который по умолчанию запрещает доступ к цифровым ресурсам предприятия и …
RAT (троянец удаленного доступа)
RAT (троян удаленного доступа) — это вредоносное ПО, которое злоумышленник использует для получения полных административных привилегий и удаленного управления целью . ..
атака на цепочку поставок
Атака на цепочку поставок — это тип кибератаки, нацеленной на организации путем сосредоточения внимания на более слабых звеньях в организации …
ПоискCIO
пространственные вычисления
Пространственные вычисления в широком смысле характеризуют процессы и инструменты, используемые для захвата, обработки и взаимодействия с трехмерными данными.
Пользовательский опыт
Дизайн взаимодействия с пользователем (UX) — это процесс и практика, используемые для разработки и внедрения продукта, который обеспечит позитивное и …
соблюдение конфиденциальности
Соблюдение конфиденциальности — это соблюдение компанией установленных правил защиты личной информации, спецификаций или …
SearchHRSoftware
Поиск талантов
Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса . ..
удержание сотрудников
Удержание сотрудников — организационная цель сохранения продуктивных и талантливых работников и снижения текучести кадров за счет стимулирования …
гибридная рабочая модель
Гибридная рабочая модель — это структура рабочей силы, включающая сотрудников, работающих удаленно, и тех, кто работает на месте, в офисе компании…
SearchCustomerExperience
CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) аналитика
Аналитика CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) включает в себя все программные средства, которые анализируют данные о клиентах и представляют…
разговорный маркетинг
Диалоговый маркетинг — это маркетинг, который вовлекает клиентов посредством диалога.
цифровой маркетинг
Цифровой маркетинг — это общий термин для любых усилий компании по установлению связи с клиентами с помощью электронных технологий.
Квантовая механика и творение: краткий обзор
Три с половиной века назад Исаак Ньютон изобрел физику в том виде, в каком мы ее знаем. Вооружившись недавно изобретенным исчислением, Ньютон использовал свои три закона движения и закон всемирного тяготения, чтобы объединить движения земных тел с движениями астрономических тел в единую теорию. В течение следующих двух столетий механика, как называется эта основная часть физики, добилась беспрецедентного успеха в объяснении явлений природы.
Следовательно, когда физики конца 19 века начали исследовать физику в очень малых масштабах (например, на уровне атомов), они, естественно, предположили, что ньютоновская физика является подходящим инструментом для использования. Однако к концу 19 ^-го века стало очевидно, что ньютоновская физика не может объяснить многие экспериментальные результаты в очень малых масштабах. Этот кризис в физике в конечном итоге привел к формулировке квантовой механики в 1920-х годах.
Краткий обзор квантовой механики
Почему мы называем это квантовой механикой? Один из постулатов ньютоновской механики состоит в том, что энергия в системе может иметь любое значение. Математически мы бы сказали, что энергия непрерывна. Но очень поздно, в 19 ^-м-м веке, физики узнали, что предположение, что энергия в малых системах квантована, решило многие из возникших проблем. То есть, по крайней мере, в очень малом масштабе энергия ограничена дискретными значениями без возможности энергии между этими значениями. Это было бы так, как если бы количества молока могли существовать только как целые значения чашек без промежуточных значений. Например, вы можете выпить одну или две чашки молока, но не 1 ½ чашки молока. У физиков не было причин думать, что в очень малых масштабах энергия квантуется, кроме того факта, что это, казалось, работало. Это было очень странно.
Другие эксперименты, похоже, пролили свет на проблему. Физики 19 ^-го-го века располагали множеством экспериментальных доказательств того, что свет является волновым явлением. Волна – это периодическое возмущение в среде. Но затем некоторые эксперименты в конце 19 90–193-го 90–194-го века показали, что свет, по-видимому, имеет корпускулярную природу, что свет состоит из крошечных кусочков чего-то, что движется с большой скоростью. Это не имело смысла, потому что частица — это не волна, а волна — это не частица. Опять же, это было странно. Еще более странно, что другие эксперименты начали указывать на то, что в очень малых масштабах материя проявляет волновую природу. Различие между волнами и частицами становилось очень размытым.
Schrödinger
Развитие квантовой механики в 1920-х годах объединило эти разрозненные сущности в стройную теорию, которая, казалось, описывала реальность в очень малых масштабах. В 1925 году Эрвин Шредингер использовал несколько постулатов зарождающейся квантовой механики, чтобы адаптировать уравнение ньютоновской механики и создать свое знаменитое волновое уравнение. Когда уравнение Шредингера применяется к очень маленькой частице, связанной в системе, такой как электрон в атоме, получается волновое уравнение. В закрытой системе волна будет отражаться взад и вперед, так что волна интерферирует сама с собой. В некоторых местах волна будет конструктивно интерферировать, вызывая большое смещение, в то время как в других местах волна будет деструктивно интерферировать, не вызывая смещения. В результате получается стоячая волна.
Музыкальные инструменты используют это явление. Рассмотрим духовой инструмент. Дуновение в инструмент создает множество случайных волн в трубке инструмента. Когда волны движутся в трубке вперед и назад, большинство волн деструктивно интерферируют, чтобы нейтрализоваться, оставляя только несколько волн, которые конструктивно интерферируют, создавая стоячую волну. Именно эту стоячую волну мы слышим от инструмента. Изменение длины трубки приводит к другой стоячей волне, которая проявляется в другом шаге. В квантовой механике причина, по которой частица, заключенная в систему, имеет квантованную энергию, заключается в том, что разрешены только определенные стоячие волны — все другие волны деструктивно интерферируют.
Что означает волновое уравнение, полученное уравнением Шредингера? При рассмотрении многих частиц квадрат волнового уравнения является функцией вероятности. Функция вероятности точно предсказывает, где будут частицы. То есть при проведении эксперимента со многими частицами, описываемыми квантовой механикой, частицы будут распределяться таким образом, который соответствует функции распределения, предсказанной волновым уравнением, с большим числом частиц в тех местах с более высокой вероятностью.
Например, в классическом эксперименте пучок электронов направляется к пластине с двумя очень узкими, близко расположенными вертикальными щелями. Если электроны ведут себя как волна, то, когда волна выходит с другой стороны, волна создает четкую интерференционную картину, которая указывает на то, что, как и любая другая волна, электроны прошли через обе щели одновременно. То, что мы наблюдаем, именно это и дает нам высокую уверенность в том, что квантовая механика — очень хорошая теория. Хотя мы думаем об электронах как о частицах, они также ведут себя так, как если бы они были волной. Это странно. Хорошо, лучше слово, наверное, странно.
Копенгаген
Копенгагенская интерпретация квантовой механики с самого начала вызывала споры и остается спорной.
Становится еще страннее. Можно поставить аналогичный эксперимент, но на этот раз вместо измерения ансамбля многих частиц он отбирает каждый электрон, чтобы определить, через какую щель он проходит. Удивительно, но при индивидуальном измерении электроны проходят через одну или другую щель, но не через обе. Вы растеряны? Не волнуйтесь, физики размышляли над этим вопросом почти столетие, и до сих пор нет единого решения этой дилеммы.
В конце концов, большинство физиков пришли к выводу, что частица в квантово-механической системе, такая как электрон в эксперименте с двумя щелями, существует во всех состояниях одновременно (эквивалент прохождения через обе щели, как диктуется волной). . Только когда кто-то наблюдает за частицей (например, в последнем упомянутом эксперименте), волновое уравнение нарушается, в результате чего частица принимает то или иное значение. В эксперименте с двумя щелями это означает, что электрон проходит через одну или другую щель. Это понимание называется копенгагенской интерпретацией, поскольку именно в Копенгагене ее разработали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сразу после того, как Шредингер вывел свое уравнение.
Жив и мертв?
Рис. 1. Схема мысленного эксперимента с котом Шредингера. Изображение предоставлено: Dhatfield, общественное достояние через Wikimedia Commons.
Копенгагенская интерпретация квантовой механики с самого начала вызывала споры и продолжает оставаться спорной. Некоторые очень известные физики (сыгравшие ключевую роль в развитии квантовой механики) резко возражали против копенгагенской интерпретации. Например, Эйнштейн сказал что-то вроде того, что «Бог не играет в кости со вселенной». Но если квантовая механика — это окончательная реальность, то даже макроскопические системы являются суммой составляющих их квантовых систем. Поэтому Эйнштейн также спросил: «Вы действительно думаете, что Луны нет, если вы на нее не смотрите?»
В конце концов Шредингер сказал, что если это то, к чему пришла квантовая механика, то он сожалеет о том, что имел к этому какое-то отношение.
Шредингер разработал свой мысленный эксперимент «Кот Шредингера», чтобы проиллюстрировать абсурдность копенгагенской интерпретации. Представьте кошку, заключенную в запечатанный ящик с квантово-механическим устройством, которое действует как спусковой крючок для выпуска ядовитого газа в ящик. Через некоторое время есть 50% шанс, что курок выпустит газ, убив кошку. Поэтому кошка одновременно существует в состоянии и мертвой, и живой. Только когда ученый открывает коробку, чтобы исследовать кошку, волновое уравнение рушится, после чего кошка принимает состояние либо мертвого, либо живого. Но разве ученый не представляет собой систему, управляемую квантовой механикой? Итак, разве для коллапса волнового уравнения не требуется, чтобы второй ученый наблюдал за первым ученым? Но разве это не приводит к необходимости третьего ученого? А четвертый ученый, быстро ведущий к бесконечному регрессу ученых? В конце концов Шредингер сказал, что если это то, к чему пришла квантовая механика, то он сожалеет, что имел к этому какое-то отношение.
Теория всего?
Какой бы плохой ни была копенгагенская интерпретация, ее альтернативы еще хуже (например, множественные вселенные). Поэтому некоторые физики задумались о новом подходе. Недавняя статья в New Scientist была посвящена одному из этих новых подходов. Эта статья начинается с обсуждения того, что она называет двумя противоречащими законами современной физики, первый из которых представляет собой волновое уравнение квантовой механики, а второй закон представляет собой копенгагенскую интерпретацию. Затем в статье указывалось, что квантовая механика нарушает принцип локальности, что объекты взаимодействуют таким образом, который зависит от их разделения, но что квантовая механика заставляет частицы взаимодействовать мгновенно, даже если они находятся очень далеко друг от друга. Это явление называется квантовая запутанность .
Каждый физик осознает необходимость унификации физики, подобно тому, как Ньютон объединил движения объектов на земле с движениями объектов на небе. Следующее великое объединение электричества и магнетизма было осуществлено Джеймсом Клерком Максвеллом в середине 19 ^-го века. Это объединение привело к убеждению, что дальнейшее объединение возможно. Сегодня физики признают, что существуют четыре фундаментальные силы. Это в порядке возрастания силы: гравитация, слабое ядерное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Четыре десятилетия назад слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую теорию, названную электрослабой. Объединение оставшихся трех является постоянной проблемой. Ожидается, что первыми будут объединены электрослабое и сильное ядерные взаимодействия, и название для такой теории уже выбрано: Теория Великого Объединения. Объединить гравитацию с остальными — гораздо более неразрешимая проблема. Если это будет достигнуто, то это будет называться Теорией Всего, потому что все силы природы будут объединены в единую модель.
Но у Теории Всего много препятствий. Основное препятствие состоит в том, что гравитация кажется несовместимой с другими теориями. На сегодняшний день лучшей теорией гравитации является общая теория относительности, которая, наряду с квантовой механикой, является одним из столпов-близнецов современной физики. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Предполагается, что это пространство-время является гладким и непрерывным, но квантовая механика предполагает, что пространство и время, как материя и энергия, состоят из дискретных фрагментов.
Новая альтернатива?
В качестве отправной точки в решении этой проблемы автор статьи New Scientist предложил шесть основных гипотез о том, как устроена Вселенная:
История Вселенной состоит из событий.
Временная причинность имеет фундаментальное значение.
Причинность не движется назад: события не «неслучаются».
Пространство построено из сети причинно-следственных связей между событиями.
Энергия и импульс сохраняются, когда события вызывают другие события.
Количество информации, которая может передаваться между событиями через возникающее пространство, определяется площадью этого пространства.
Ни в одной из этих гипотез нет ничего нового. Фактически, некоторые из них в той или иной форме были приняты древнегреческими философами и учеными. Например, первое утверждение о том, что история Вселенной состоит из событий, очевидно и должно рассматриваться как аксиома. Вторая гипотеза, утверждающая, что причинность во времени фундаментальна, немного сложнее, но опять-таки она должна быть очевидной и, следовательно, также должна быть аксиомой. Таким образом, временная причинность использовалась, по крайней мере, со времен Аристотеля, чтобы доказать существование Перводвигателя или Бога.
Третья гипотеза, предполагающая, что причинность действует только вперед во времени, также кажется аксиомой. Это навязывает направление во времени, то, что было приписано второму закону термодинамики как «стрела времени». Таким образом, третья гипотеза заключается в включении хотя бы некоторых аспектов второго закона термодинамики. Четвертая гипотеза, согласно которой пространство конструируется из паутины причинно-следственных связей между событиями, кажется утверждением о природе пространства, хотя и несколько расплывчатым. Это может быть намеком на какое-то серьезное заявление о космосе, которое сильно отличается от квантовой механики и общей теории относительности, или оно может склоняться в пользу одного или другого. Пятая гипотеза является выражением первого закона термодинамики и законов движения Ньютона.
Шестая гипотеза мне наиболее интересна. Он явно упоминает информацию, не утруждая себя определением того, что такое информация. В статье обсуждались некоторые аспекты этого, как если бы речь шла об энергии. Некоторые креационисты применили второй закон термодинамики к информации, поэтому идея о том, что энергия и информация связаны, нашла отклик у многих креационистов. Идея о том, что какой-то объект проходит через область, ограничивающую объем пространства, не нова для физики — теория поля использует эту концепцию. Например, этот подход показывает, что закон обратных квадратов гравитации является следствием того, что Вселенная имеет три пространственных измерения. Намерение здесь, по-видимому, состоит в том, чтобы справиться с квантовой запутанностью, хотя направление, в котором она пойдет, в настоящее время совершенно неизвестно.
Ничего нового?
Что это значит для христиан и особенно для недавних креационистов? Наверное, не слишком. Как я указал выше, здесь меньше нового, чем кажется на первый взгляд. Причина, по которой мы даже ведем такое обсуждение, — странность, присущая квантовой механике. Это потому, что результаты квантовой механики не совпадают ни с чем, что мы наблюдаем в макроскопическом мире. И именно это несоответствие побуждает физиков задаваться вопросом: «Что означает волновое уравнение в квантовой механике?» Но я не припомню, чтобы этот вопрос когда-либо задавали раньше в контексте какой-либо физической теории. Когда Ньютон изложил свою работу по механике в своем Principia , никто не спросил: «Что это значит?» Никто не задавался таким вопросом, когда Максвелл опубликовал свои блестящие четыре уравнения электричества и магнетизма. Вместо этого все поняли, что это были элегантные описания того, как устроен тот или иной аспект мира.
Квантовая механика описывает то, чем она является, и описывает то, что мы видим в окружающем нас микроскопическом мире. Если мы не понимаем этих результатов, это, вероятно, указывает на то, что теория неполна или что у нас неправильное представление о Вселенной.
Так зачем постоянно сомневаться в каком-то смысле, стоящем за квантовой механикой? Опять же, это то, что мы воспринимаем как своеобразную природу квантовой механики.