Шесть фактов о квантовой физике, которые должен знать каждый
Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями. И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.
Все состоит из волн — и частиц тоже
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это экспериментальный факт.
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» — значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики — слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света — высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии — 1, 2, 14, 137 раз — и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны — некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно — даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция — это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии — состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном — зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний великий вклад Эйнштейна в физику не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х — они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект — вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика — не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, — бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели — это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.
