Healthy_back (healthy_back) wrote,
Healthy_back
healthy_back

Categories:

Что мы знаем. Квантовая физика

Вперёд: http://healthy-back.livejournal.com/192107.html
Назад: http://healthy-back.livejournal.com/191643.html
Содержание: http://healthy-back.livejournal.com/190681.html#cont

Аюдеик Флек, польский эпистемолог и микробиолог, вдохновлявший Томаса Куна на введение понятия «парадигмы» заметил, что, когда начинающие студенты впервые изучают препараты под микроскопом, вначале у них ничего не получается. Они просто не видят то, что лежит на предметном стеклышке.

С другой стороны, нередко они видят то, чего там нет. Как такое возможно? Ответ прост: дело в том, что восприятие — особенно его сложные формы — требует тренировки и развития. Спустя некоторое время все студенты видят то, что лежит на предметном стекле.


Квантовая физика



Полагаю, я не ошибусь,
если скажу, что квантовую механику
не понимает никто.


— Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года за развитие квантовой электродинамики.

Тот, кто не был потрясён
при первом знакомстве с квантовой теорией,
очевидно, просто ничего не понял.

— Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года за работы по исследованию структуры атома.

С одной стороны, эта теория полна парадоксов, загадок и путаницы в понятиях. С другой стороны, у нас нет возможности отбросить её или пренебречь ею, поскольку она на практике зарекомендовала себя как самый надёжный инструмент для предсказания поведения физических систем.

— Дэвид Алберт, доктор философии


Если лауреаты Нобелевской премии по физике не понимают квантовую теорию, на что можем надеяться мы? Что делать, если реальность стучится в ваши двери и рассказывает нечто совершенно непонятное, ошеломляющее, озадачивающее? Как вы реагируете, как живёте дальше, какие варианты перед собой видите — всё это говорит о вас очень многое, но это мы обсудим в следующей главе. А сейчас давайте побеседуем об электронах, фотонах, кварках, а также о том, как столь крошечный предмет (если это вообще предмет) может быть так непостижим, и в то же время способен рвать на часто наш отлично организованный и такой понятный мир.

На границе известного и неизвестного


Классическая физика Ньютона основана на наблюдении плотных объектов, которые знакомы нам из повседневного опыта — от падающих яблок до движущихся по орбитам планет. На протяжении столетий её законы были многократно проверены, подтверждены и расширены. Они вполне понятны н позволяют хорошо предсказывать поведение физических объектов, и свидетельство тому — достижения промышленной революции. Но в конце XIX столетия, когда физики начали разрабатывать инструменты для исследования мельчайших составляющих материи, они были сбиты с толку: физика Ньютона перестала действовать! Она не могла ни объяснить, ни предсказать получаемые ими результаты экспериментов.

За следующую сотню лет развилось совершенно новое описание мира мельчайших частиц. Известное как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория, это новое знание не вытесняет ньютонову физику, которая по-прежнему отлично описывает большие, макроскопические объекты. Однако, новая наука отважно идёт туда, куда физике Ньютона путь заказан: в субатомный мир.

«Наша Вселенная — очень странная, — говорит доктор Стюарт Хамерофф — Судя по всему, существует два свода законов, управляющих ею. Наш повседневный, «классический» мир, — мир привычных нам пространственных и временных масштабов — описывается ньютоновскими законами движения, сформулированными сотки лет назад. Однако, когда мы переходим к объектам атомного уровня, включается совершенно другой свод законов. Это квантовые законы».


Факты или фантастика?


Выводы квантовой теории потрясающи (ниже мы подробнее остановимся на пяти основных потрясениях) и напоминают научную фантастику: частица может находиться в двух или более местах одновременно! (Один из недавних экспериментов показал, что частица может находиться в трёх тысячах мест сразу!) Один и тот же объект может проявляться как частица, легализированная в одном месте, или как волна, распространяющаяся в пространстве и времени.

Эйнштейн утверждал, что ничто не может двигаться быстрее света, однако, квантовая физика показала, что субатомные частицы обмениваются информацией мгновенно, через любые расстояния в пространстве.

Классической физике свойствен детерминизм: если нам дан определённый набор исходных условий (таких, как координаты и скорость объекта), мы можем совершенно точно определить, куда он будет двигаться. Квантовая физика вероятностна: мы никогда точно не знаем, как поведёт себя конкретный объект.

Классическая физика механистична: она основана на предположении, что лишь через понимание отдельных частей возможно понимание целого. Новая физика холистична: она изображает Вселенную как единое целое, части которой взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, пожалуй, самое главное: квантовая физика стёрла чёткую картезианскую границу между субъектом и объектом, наблюдателем н наблюдаемым, которая доминировала в науке на протяжении 400 лет.

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Изолированных наблюдателей механической Вселенной не существует — всё и вся соучаствует во Вселенной. (Этот момент настолько важен, что мы посвятим ему отдельную главу).

Термин «квант» был впервые использован в науке немецким учёным Максом Планком в 1900 году. Это латинское слово означат «количество», однако, ныне его используют для обозначения наименьшего количестве материи или энергии.


Одно из самых глубоких философских различий между классической механикой
и механикой квантовой состоит в том, что классическая механика от самого основания и до верха построена на идее, которая, как нам теперь известно, представляет собой
не более, чем фантазию. Это идея о возможности пассивного наблюдения...А квантовая механика решительно опровергла эту идею.

— Дэвид Альберт, доктор философии



Потрясение №1 — пустое пространство


Давайте начнём с чего-то, знакомого большинству из нас. Одной из первых трещин в здании ньютоновой физики стало открытие, что атомы — предположительно твёрдые частицы, из которых построена Вселенная — состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если мы увеличим ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии тридцати километров, а между ними — ничего. Итак, глядя вокруг, помните, что реальность на самом деле представляет собой крохотные точечки материи, окружённые пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» вовсе не пуста: в ней содержится колоссальное количество тонкой, но исключительно мощной энергии. Мы знаем, что плотность энергии возрастает по мере перехода ко всё более тонким уровням реальности (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Ныне учёные утверждают, что один кубический сантиметр пустого пространства содержит в себе больше энергии, чем материя во всей известной Вселенной. Хотя учёные не могут замерить эту энергию напрямую, они видят результаты действия этого колоссального моря энергии. Заинтригованы? Поинтересуйтесь, что такое «силы Вандер Ваальса» и «эффект Казимира».

Вниз по кроличьей норе элементарных частиц
Когда Шрёдингер формулировал своё волновое уравнение, Гейзенберг решал ту же задачу при помощи передовой на то время «матричной математики». Однако, его выкладки оказались слишком непонятными, они никак не соотносились с повседневным опытом и с такими словами обычного языка, как «волна », поэтому «волновому» уравнению было отдано предпочтение перед «матричными трансформациями». Однако, всё это лишь аналогии.

Мир ведёт себя именно так, как я думал, когда был маленьким. Что можно сказать о маленьком мальчике с его мечтами и фантазиями? Что он находятся в плену иллюзий? Возможно. Однако, подозрительно, что в квантовой механике не меньше волшебства. Вопрос вот в чём: где проходит граница между фантастическим и зыбким квантовым миром и миром больших объектов, который кажется нам столь прочным? С подросткового возраста я задавался вопросом: если я состою из субатомных частиц, способных на самые фантастические штуки, может быть, и я способен на фантастические штуки?

— Марк


Потрясение № 2 — частица, волна или волночастица?


Мало того, что элементарные частицы разделены огромными «пространствами», — проникая всё глубже в атом, учёные обнаружили, что субатомные частицы (из которых атом состоит) не являются твёрдыми телами. Судя по всему, они обладают двойственной природой. В зависимости от того, как их наблюдать, они ведут себя либо как частицы, либо как волны. Частицы — это отдельные твёрдые объекты, имеющие определённое положение в пространстве. Волны же не являются твёрдыми объектами и не локализованы в пространстве, но распространяются в нём (например, звуковые волны, волны на воде).

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного положения в пространстве, но существует как «поле вероятностей». В качестве частицы поле вероятностей схлопывается (или «коллапсирует») в твёрдый объект, положение которого во времени и пространстве может быть определено.

Как это ни удивительно, но состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и не наблюдаемый электрон ведёт себя как волна. Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он «схлопывается» в частицу, чьё положение можно локализировать.

Как что-то может быть одновременно твёрдой частицей и мягкой текучей волной? Возможно, этот парадокс можно решить, вспомнив то, о чём мы говорили выше: элементарные частицы ведут себя как волны или как частицы. Но «волна» — это лишь аналогия. Как и «частица» — всего лишь аналогия из нашего привычного мира. Идея о волновых свойствах частиц развилась в квантовую теорию благодаря Эрвину Шрёдингеру, который в своём знаменитом «волновом уравнении» математически описал вероятности волновых свойств частицы ещё до их наблюдения.

Чтобы подчеркнуть, что они на самом деле не знают, с чем имеют дело, и никогда прежде не сталкивались с чем-либо подобным, некоторые физики решили называть это явление «волночастицей»

Пока субатомный объект находится в волновом состоянии, невозможно определить, каким он станет, когда подвергнется наблюдению и окажется локализованным в пространстве. Он существует в состоянии «множественных возможностей», которое называется суперпозицией. Это как если бы мы подбросили монету в тёмной комнате. С математической точки зрения, даже после тоге, как она упадёт на стол, мы не можем определить, легла ли она орлом или решкой. Но как только загорится свет, мы схлопываем («коллапсируем») суперпозицию, и монета становится либо «орлом», либо «решкой». Производя наблюдение волны, мы — как и при включении света в приведённом примере — схлопываем квантовую суперпозицию и частица оказывается в «классическом» состоянии, которое может быть измерено.



Потрясение № 3 — квантовые скачки и вероятность


При изучении атома учёные обнаружили, что, уходя со своей орбиты вокруг атомного ядра, электрон движется сквозь пространство не так, как обычные объекты, — он передвигается мгновенно. Иными словами, он исчезает из одного места, с одной орбиты, к появляется на другой орбите. Это явление назвали квантовым скачком.

Мало того, выяснилось, что невозможно точно определить, где возникнет электрон или когда он совершит скачок. Максимум, что можно сделать, — это обозначить вероятность нового местоположения электрона (волновое уравнение Шрёдингера). «Реальность, как мы её знаем, каждое мгновение создаётся заново из целого океана возможностей, — говорит доктор Сатиновер, — Но самое загадочное — что тот фактор, который определял бы, какая именно возможность из этого океана реализуется, не принадлежит физической Вселенной. Здесь нет процесса, который определяет это».

Часто это формулируют следующим образом: квантовые события — единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.


Потрясение № 4 — принцип неопределённости


В классической физике все атрибуты объекта, включая его положение и скорость, могут быть измерены с точностью, которая ограничена только технологическими возможностями экспериментатора. Но на квантовом уровне, измеряя один показатель, например скорость, ты не можешь одновременно получить точные значения других показателей — например, координаты. Если ты узнаёшь, где находится объект, то не сможешь узнать, как быстро он движется. Если же ты знаешь, как быстро он движется, то не знаешь, где находится. И сколь бы точным и современным ни было твоё оборудование, заглянуть за эту завесу не удаётся.

Принцип неопределённости сформулировал Вернер Гейзенберг, один из первопроходцев квантовой физики. Этот принцип гласит, что, как ни пытайся, невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредоточиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределённым становится другой.


Потрясение № 5 — нелокальность, ЭПР, теорема Белла и квантовый парадокс


Альберт Эйнштейн квантовую физику недолюбливал (мягко говоря). Вот одно из его высказываний по поводу вероятностной природы квантовых процессов: «Бог не играет в кости со Вселенной». На что Нильс Бор ответил: «А вы не указывайте Богу, что ему делать!»

Пытаясь опровергнуть квантовую механику, Эйнштейн, Подольский и Розен (ЭПР) в 1935 году предложили мысленный эксперимент, призванный показать, насколько нелепа новая теория. Они довольно остроумно обыграли одни из выводов квантовой механики, на который другие учёные не обратили внимания: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом, или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы Вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже мгновенно изменится, чтобы прийти в такое же состояние. Мгновенно!

Эта идея казалась настолько абсурдной, что Эйнштейн назвал такое явление «призрачным дальнодействием». Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А здесь скорость обмена информацией оказывается бесконечной! Более того, мысль о том, что один электрон может следить за судьбой другого, находящегося на другом конце Вселенной, просто противоречила общепринятым представлениям о реальности, основанным на здравом смысле.

Затем в 1964 году Джон Белл предложил теорему, из которой следует, что предположение ЭПР справедливо! Именно так всё происходит, и представление о том, что объекты локальны — то есть существуют только в одной точке пространства, — неверно. Всё на свете нелокально. Элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства.

За годы, прошедшие после публикации теоремы Белла, его идеи были не раз подтверждены в лаборатории. Попытайтесь хоть на миг охватить это умом. Время и пространство — наиболее фундаментальные черты мира, в котором мы живём, — каким-то образом вытеснены в квантовой теории представлениями о том, что все объекты всегда связаны друг с другом. Не случайно Эйнштейн полагал, что такой вывод приведёт к смерти квантовой механики. — он просто бессмыслен.

Тем не менее, очевидно, этот феномен принадлежит к числу действующих законов Вселенной. Собственно, Шрёдингер как-то говорил, что тесная взаимосвязь между объектами является не одним из интереснейших аспектов квантовой физики, но важнейшим аспектом. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым глубоким открытием в науке». Обратите внимание: он сказал в науке, в не в физике.

Занимающий меня вопрос — не почему квантовая физика столь интересна?», но «почему ТАК МНОГО ЛЮДЕЙ интересуются квантовой физикой?» Она подрывает самые основы наших представлений о мире. Она утверждает, что самые очевидные вещи, которые мы ЗНАЕМ наверняка, просто не верны. И, тем не менее, она заворожила миллионы людей, у которых даже «нет научной жилки».

— Уилл

Я едва не свела Марка и Уилла с ума, по тысяче раз за день спрашивая «Какого чёрта я вообще должна этим заниматься? Какое это имеет ко мне отношение? Почему меня должен интересовать этот идиотский мир квантов — разве мало идиотизма в моём собственном мире?» Я до сих пор не уверена, что понимаю всё это. Но доктор Фред Алан Вольф как-то мне сказал: «Если ты думаешь, что поняла всё, — значит, ты вообще не слышала, что тебе говорили!» Чему мы научились, исследуя всё это квантовое безумие, так это наслаждаться хаосом и принимать неведомое, ибо из него рождаются воистину великие переживания!

— Бетси

Каков звук схлопывания одного электрона?



Квантовая физика и мистицизм


Несложно увидеть точки соприкосновения между физикой и мистицизмом. Объекты разделены в пространстве, но при этом тесно связаны друг с другом (нелокально); электроны перемещаются из точки А в точку Б, но при этом не проходят между этими точками; материя представляет собой (с математической точки зрения) волновую функцию, которая схлопывается (то есть, обретает существование в пространстве) лишь тогда, когда её измеряют.

Мистики без труда принимают все эти идеи, большинство из которых намного старше, чем ускорители элементарных частиц. Многие из основателей квантовой механики серьёзно интересовались духовными вопросами. Нильс Бор использовал символ Инь-Ян в своём личном гербе; Дэвид Бом вёл длинные дискуссии с индийским мудрецом Кришнамурти; Эрвин Шрёдннгер читал лекции об Упанишадах.

Но служит ли квантовая физика доказательством мистического мировоззрения? Спросите об этом у физиков — и вы получите полный спектр ответов. Если задать этот вопрос на вечеринке физиков и начать жёстко отстаивать какую-то одну позицию, вполне вероятно (ведь вероятность играет важную роль в квантовой теории), что начнётся потасовка.

Если не считать махровых материалистов, большинство учёных сходятся во мнении, что мы пока находимся на стадии аналогий. Параллели слишком явственны, чтобы игнорировать их. И квантовая физика, и дзэн склонны к парадоксальному взгляду на мир. Как говорил уже упоминавшийся нами доктор Радин: «Однако предложен и другой взгляд на мир: на него указывает квантовая механика».

Вопросы о том, чем вызывается схлопывание волновой функции и действительно ли квантовые события случайны, не нашли ответа сих пор. Конечно, нам очень хочется создать по-настоящему единую концепцию реальности, которая непременно будет включать и нас самих, однако мы не можем не прислушаться к предостережению современного философа Кена Уилбера:
Работа этих учёных — Бома, Прибрама, Уилера и прочих — слишком важна, чтобы отягощать её необузданными рассуждениями мистиков. А мистицизм слишком глубок, чтобы привязывать его к тому или иному этапу научного теоретизирования. Пусть они оценят друг друга по достоинству, и пусть их диалог и обмен идеями никогда не закончится.

Таким образом, критикуя некоторые аспекты новой парадигмы, я стремлюсь не к тому, чтобы остудить интерес к её дальнейшему развитию. Я просто призываю к ясности и точности в изложении всех этих вопросов, которые, что ни говори, исключительно сложны.


За нами миллиарды генетических жизней, которые дали нам это совершенное генетическое тело и совершенный генетический мозг. Тысячи и тысячи лет потребовались для их эволюции до такого уровня, чтобы мы с вами могли вести эти беседы об абстрактном. Если нам дано воплотиться в величайших из когда-либо существовавших эволюционных механизмов — в наших телах, обладающих человеческим
мозгом, — значит, мы заслужили право задавать вопросы «что, если...»

— Рапа



Выводы


Выводы? Да вы шутите! Если у вас есть выводы, пожалуйста, поделитесь с нами. Но в любом случае, добро пожаловать в полный споров, загадок, задач и откровений мир абстрактной мысли. Наука, мистицизм, парадигмы, реальность — вы только посмотрите, как широка сфера человеческих исследований, открытий и дебатов!

Посмотрите, как человеческий ум исследует этот удивительный мир, где нам довелось жить.

В этом наше истинное величие.


Подумайте об этом...


— Вспомните пример из своей жизни, когда вы на опыте убедились в действии ньютоновой физики.

— Определяла ли до сих пор ньютонова физика вашу парадигму?

— Когда вы узнали о зыбком фантастическом квантовом мире, изменилась ли ваша парадигма? Если да, то как?

— Готовы ли вы выйти за пределы известного?

— Вспомните пример квантового эффекта в вашей жизни.

— Кто или что является там «наблюдателем», который определяет природу и расположение «частицы»?


Вперёд: http://healthy-back.livejournal.com/192107.html
Назад: http://healthy-back.livejournal.com/191643.html
Содержание: http://healthy-back.livejournal.com/190681.html#cont
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 2 comments