24 Сентября 2021
Поделиться:

Квантовая физика за 5 минут: главные вопросы и идеи

Квантовую физику сложно понять; далеко не всем ученым это удается. Рассказать о ее загадках обычным читателям решился Джон Гриббин, доктор философии и космолог. В книге «Шесть невозможностей» он представил несколько возможных объяснений квантовой механики, предложенных физиками в разное время. К выходу книги мы также решили познакомить вас с миром атомов и элементарных частиц чуть ближе и рассказать о главных идеях квантовой физики и об ученых, которые над ними трудились.

Все знают, что квантовая физика — это сложно и непонятно. Но в чем именно заключается эта сложность?

Квантовая физика описывает мир на уровне атомов и элементарных частиц. Все дело в том, что этот микроскопический мир действует по правилам, противоречащим законам классической физики. Ученые обнаружили это в ходе экспериментов, когда пытались понять природу света. По законам классической механики фотоны (кванты света) могли вести себя либо как волны, либо как частицы. Однако различные эксперименты показали, что свет меняет свое поведение в зависимости от условий, и фотоны могут вести себя как волны и как частицы одновременно. Такой же парадокс был выявлен в экспериментах с электронами; позднее это явление было названо корпускулярно-волновым дуализмом. Начиная с 1920-х гг. именно он лежал в центре теоретических рассуждений квантовой механики.

Одним из первых, кто указал на «странность» квантового мира, оказался американский ученый и лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман. В классической версии эксперимента с двумя щелями электроны, проходя через экран с двумя прорезями внутри, ударялись о второй экран, образуя интерференционную картину. То есть до встречи с первым экраном вели себя как поток частиц, а после — как волны.

Двухщелевой эксперимент с электронами

В качестве мысленного эксперимента Ричард Фейнман предположил, что, если открывать и закрывать щели в момент, пока электрон еще летит, это может повлиять на его поведение. Этот мысленный эксперимент показал, что электрон как бы «решает», какое именно состояние ему принять и как себя повести, лишь когда взаимодействует с чем-то еще — например, с элементами установки.

Ричард Фейнман

Почему эксперимент Фейнмана был мысленным? По словам самого ученого, для его проведения в реальности потребовалась бы установка невероятно маленького размера. Ученый был бы рад узнать, что в наше время это стало возможным. Так, в 2013 г. группа ученых из  США под руководством голландца по  рождению Хермана Бателаана сумела воссоздать эксперимент Фейнмана с помощью наноустановки, тем самым в полном объеме доказав корпускулярно-волновую природу электрона. 

Вот как описывает эту наноустановку Джон Гриббин в книге «Шесть невозможностей»:

Экспериментаторы проделали две прорези в силиконовой мембране с золотым покрытием. «Толщина» (или лучше сказать «тоньшина») мембраны составляла всего 100 нм, толщина золотого покрытия — 2 нм. Ширина каждой прорези составляла 62 нм, длина — 4 мкм (нанометр — это одна миллиардная доля метра, микрометр — одна миллионная). Эти параллельные прорези располагались на расстоянии 272 нм друг от друга (расстояние измерялось от центра одной прорези до центра другой). В устройстве имелось принципиально важное дополнение: автоматический механизм (с пьезоэлектрическим приводом) мог передвигать по мембране крохотную заслонку, блокируя с ее помощью ту или другую прорезь.

Физики долго ломали голову, пытаясь понять, как объяснить природу квантовых объектов. Сегодня наиболее признаваемой из всех считается копенгагенская интерпретация. Ее авторы, Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, сформировали ее в конце 1920-х гг. во время совместной работы в Копенгагене. Согласно этой интерпретации, пока квантовый объект не находится под наблюдением, он одновременно находится в исключающих друг друга состояниях. Результаты же измерений являются следствием воздействия наблюдателя; то есть сам факт наблюдения за квантовым объектом приводит его к одному из состояний. Данное утверждение порождает ряд гносеологических проблем. Существует ли окружающий мир, пока мы на него не смотрим? Где в момент наблюдения находится граница между квантовым и «классическим» миром, который способна описать ньютоновская физика?

У данного объяснения квантовой механики есть свои противники. Шуточный мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с котом задуман как критика копенгагенской интерпретации и призван показать абсурдность рассуждений Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.

Эрвин Шредингер

В ходе эксперимента кот находится в закрытой коробке вместе с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и ядовитым газом. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может и не распасться. Если это произойдет, сработает счетчик Гейгера и разобьет колбу с ядовитым газом, убив кота. До того как мы заглянем в ящик, оба исхода равновероятны; кот с 50% вероятности жив, с 50% вероятности мертв. Абсурдность заключается в том, что, даже если мы не знаем, жив кот или нет, в действительности он находится в коробке в одном из состояний. Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики (если представить, что кот — это квантовый объект, а состояние кота — волновое или корпускулярное поведение объекта), кот жив и мертв одновременно, что очевидно невозможно.

Не стоит расстраиваться, если изложенные идеи покажутся вам сложными и далекими от здравого смысла. Как говорил Нильс Бор, «тот, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее».

Рубрики

Серии

Раздзелы

Издательство