Lib.ru/Современная литература: Кригер Борис Юрьевич. Философия квантовой физики

Кригер Борис Юрьевич
Философия квантовой физики

Lib.ru/Современная: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Помощь]

Размещен: 13/01/2024, изменен: 13/01/2024. 67k. Статистика.

Скачать FB2

Аннотация:
Эта книга не ставит перед собой цель доступно объяснить широкой аудитории основы квантовой физики. Для этого существуют другие книги, лекции и видеофильмы. Наша цель - попытка осмысления квантовой физики с философской точки зрения на уровне сегодняшних представлений о реальности и о том, как устроен наш мир в самой своей основе.

ФИЛОСОФИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

Бесплатно послушайте книгу

https://knigavuhe.org/book/filosofija-kvantovojj-fiziki/

О чем эта книга

Нравится нам этот мир или нет, приходится признать, что в нём многое устроено весьма толково, по крайней мере то, что мы вполне изучили и попытались понять.

Кажущееся парадоксальным, нелогичным, избыточным и нерациональным скорее всего таковым не является.

Просто мы еще не до конца разобрались, как оно на самом деле устроено... А когда поймем, то окажется, что по другому-то и не может быть!

Хотя, впрочем, возможно, есть вещи, которые нам, к сожалению, понять не дано никогда. Но мы можем по крайней мере не обращать на них внимания, в чем и заключается наша неотъемлемая свобода. Мы свободны интересоваться или не интересоваться тем, что не имеет непосредственного влияния на наши судьбы. Достопочтенный читатель вполне может прожить жизнь, не имея никакого представления о квантовой физике, не беспокоя себя её парадоксами.

Однако автор будет рад, если читатель все же проявит интерес к этой области и даже можно считать, что в этом проявится безусловный героизм читателя. Наградой же его вниманию станет ощущение причастности к тому, о чем размышляют самые продвинутые умы человечества. По крайней мере эти умы сами считают себя самыми продвинутыми и не находится никого умнее, чтобы их в этом разуверить, пока не появится на свет очередной Эйнштейн и покажет всем язык.

Неслучайно квантовая физика своим появлением в первой половине двадцатого века вызвала шок в учёном мире, а учёные передали свою растерян-ность философскому сообществу и широкой общественности.

Надо сказать что для нас, родившихся значительно позже, квантовая физика уже не является столь подрывающей обычные представления о мире, ибо мы с детства слышали о ее парадоксах и, в общем, по совести говоря, по другому себе мир элементарных частиц и не представляем. Об азах квантовой физики говорят в старших классах школы, хотя далеко не всем везёт с одарёнными и увлечёнными учителями и мало кто выносит из школьных лет сформировавшееся представление о квантовом мире.

Эта книга не ставит перед собой цель доступно объяснить широкой аудитории основы квантовой физики. Для этого существуют другие книги, лекции и видеофильмы. Наша цель - попытка осмысления квантовой физики с философской точки зрения на уровне сегодняшних представлений о реальности и о том, как устроен наш мир в самой своей основе. Также мы проделаем мысленный эксперимент, как мир мог бы быть устроен иначе, если бы нам пришла фантазия самим его создать. В этом данный труд перекликается с другой книгой автора "Руководство по сотворению миров".

Автор обещает не включать ни одной формулы в свою книгу, дабы не отпугнуть большинство читателей, а также не изъясняться на непонятном научном языке, предварительно доступно не объяснив все необходимые понятия. Обратите внимание, квантовая физика - весьма сложная область знания и простые объяснения приводятся исключительно для ознакомления читателя с основными концепциями и для обсуждения общих философских вопросов. Автор приложил усилия, чтобы простота не искажала верность тех или иных утверждений, хотя надо принимать во внимание, что это далеко не всегда возможно. Однако выбор был сделан в пользу простоты и в ущерб точности формулировок, иначе мы бы получили очередной учебник по квантовой физике и внимания читателя не хватило бы на философские рассуждения, а именно ради них затевалась эта книга.

У современных физиков не принято философствовать, в отличие от времен Эйнштейна и Бора, которым пришлось стать философами поневоле, дабы попытаться объяснить свои слишком революционные открытия. Теперь, с легкой руки Ландау, физикам философствовать неприлично. Современные физики предпочитают оставлять философскую интерпретацию своих экспериментов тем, кто готов предаваться бесполезной и даже вредной с их точки зрения философии. Но без осознания, пусть ограниченного, нет продвижения вперед. Так что мы возьмем на себя этот труд, не побоясь возможной критики. Нам хочется понять, что же на сегодняшний момент мы можем знать об устройстве мира, почему он такой, а не иной, а квантовая физика - один из главных ключей к его познанию.

Сущность существования

Почему вообще что-то существует? И существует ли оно или только является плодом нашего сознания? Мы не будем пытаться ответить на эти вопросы, упирающиеся в великую цитату Декарта "Я мыслю, значит существую". Раз мы с вами мыслим, пишем и читаем книги, значит существуем. А рассматриваем ли мы нашу вселенную, созданную или отраженную в нашем воображении, или она существует независимо от нас, в общем не имеет значения для данной книги. Не важно, примемся ли мы обсуждать квантовую физику реальной вселенной, или же воображаемой, но не отличимой от реальной, или точнее, полагаемой нами за реальную.

Итак, чтобы не возвращаться каждый раз к этим вопросам, установим следующие рамки. Для целей этой книги мы не будем искать ответов, почему существует Вселенная, зародилась ли она спонтанно или же она результат направленного творения. Эти вопросы автор обсуждает в своей книге "Руководство по сотворению миров".

Мы будем говорить только о тех явлениях и процессах, которые как-то себя проявляют. То есть для целей данного обсуждения мы будем считать существующим то, что оказывает некое измеримое влияние на нас и наши приборы.

Явление или объект, который никак себя не проявляет, или по крайней мере современными методами неопределимый, мы будем считать несуществующим. Хотя, разумеется, если бы мы вели подобное обсуждение до открытия радиоволн, то нам бы пришлось отрицать их существование.

Кроме того, не утверждая, что мир сотворён путем направленного акта творения, для удобства изложения мы поставим себя на место творца нашего мира и рассмотрим, какие задачи могли перед ним стоять и как он их решил. Чтобы исключить негативную реакцию атеистов, подчеркнём, что с той же долей уверености можно утверждать, что Италия имеет форму сапога, чтобы было удобнее запомнить, глядя на карту, что там производят хорошую обувь. Еще раз повторим, мы рассматриваем процессы с точки зрения того, чтобы понять, почему мир устроен так, а не иначе, зачем нужны кванты, почему существует принцип неопределенности на уровне элементарных частиц, эффект туннелирования и квантовой запутанности. Наша книга призвана показать, что все эти процессы не являются некой экзотикой, а совершенно необходимы для существования мира.

Однако мы дерзнем представить, как бы можно было устроить мир иначе или вообще сотворить совершенно иной мир с иными законами физики микромира.

Сущность материи и энергии

Можно сказать, что в изучаемом нами мире мы сталкиваемся с чем-то, входящим во взаимодействие с нами или нашими приборами. Это нечто мы разделяем на два вида: материя и энергия. Они отличаются от нечто не взаимодействующего с нами, что мы считаем пустотой. Конечно, здесь необходимы две оговорки. Первое, благодаря знаменитой формуле Эйнштейна, утверждающей, что энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, мы понимаем, что принципиально энергия и материя могут перетекать одна в другую и обратно.

Вторая оговорка. Нам известно, что даже пустота, вакуум, где казалось бы нет ни энергии, ни материи, все же обладает некой энергией вакуума. На квантовом уровне вакуум не является абсолютной пустотой. Он является "морем" виртуальных частиц, которые постоянно колеблются из виртуального в реальное состояние и обратно.

Вакуум, разделяющий галактики, является, по всей видимости, одновременно неким резервуаром энергии Вселенной. Количество "темной энергии" в космосе превосходит энергию всех звёзд и галактик. Проанализировав данные, учёные пришли к выводу: не менее 74% Вселенной состоит из "темной энергии" - энергии чистого вакуума. Можно сказать, что "темная энергия" как бы создает антигравитационное поле, которое расталкивает галактики прочь друг от друга и заставляет их разлетаться с возрастающей скоростью.

Ни одна из теорий не объясняет "темную энергию", хотя имеются экспериментальные доказательства её существования. Вместе с тем, никто не знает, как посчитать "энергию пустоты". Учёные полагают, что это один из важнейших вопросов физики, поскольку ответ на него определит судьбу Вселенной - продолжит ли она вечно расширяться или в какой-то момент этот процесс замедлится и обратится вспять, приведя к великому коллапсу.

По знаменитому уравнению Эйнштейна, энергия вакуума эквивалентна определенной массе. Такая огромная масса могла бы оказывать гравитационное влияние. Однако воздействие энергии вакуума противоположно влиянию обычной материи. Материя замедляет расширение и может в итоге остановить и обратить его вспять. Энергия вакуума, напротив, ускоряет расширение вселенной.

Опять же мы не можем утверждать, что стандартная космологическая теория верна, но по крайней мере на сегодняшний момент она представляет собой главенствующее представление о мире в научных кругах.

Итак, сделав необходимые огроворки, повторим, что, говоря о существовании, мы имеем в виду совокупность материи и энергии.

Чем же они отличаются друг от друга? Можно сказать, что материя имеет массу и структуру (состоит из элементарных частиц), а энергия не имеет массы и структуры, хотя может вести себя как частица (например квант света, проявляющий себя и как волна и как частица). С другой стороны элементарные частицы имеют волновые свойства.

Чем же все-таки отличается материя от энергии? Для простоты будем считать, что материя имеет массу, а энергия нет. Тем более, что у фотонов света массы не обнаружено.

Долгое время считалось, что нулевой массой покоя обладают нейтрино. Однако в настоящее время многочисленные эксперименты надёжно продемонстрировали наличие у них малой, но ненулевой массы покоя.

Итак, пока не открыты другие безмассовые частицы, будем считать, что масса и есть отличительная характеристика материи от энергии.

ФИЛОСОФИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ СИЛ

Что же такое масса? Можно ответить: это нечто, имеющее свойство искривлять пространство, то есть создавать гравитационное поле. Излучение, то есть чистая энергия, вроде бы гравитационного поля не создает, но при этом подчиняется гравитационному воздействию. Как же так? Именно потому, что гравитация - не сила притяжения между телами, а именно искривление пространства. Летит себе фотон света в вакуме, но летит-то он в пространстве, которое искривляется массой объектов, мимо которых он пролетает. Этот эффект был предсказан Эйнштейном и блестяще подтвержден во время солнечных затмений. Лучи от звезд меняли позиции, отклоняясь под действием массы солнца. Также известен эффект линзирования - когда массивная галактика на пути света от более дальней галактики заставляет свет от нее отклоняться и создает особый оптический эффект.

Итак, посмеем утверждать, что материя обладает массой и способна создавать гравитационное поле, а энергия подвержена влиянию гравитационного поля, но сама его, по крайней мере в определимых пределах, не создает.

Формула Эйнштейна утверждает, что во всякой материи заключена огромная энергия, что практически подтверждено в процессах аннигиляции вещества и антивещества.

Получается, что материя - это очень сконцентрированная энергия или просто одна из форм существования энергии. Ну или наоборот, энергия - одна из форм существования материи.

Здесь речь идет об обычной энергии, а не таинственной "тёмной энергии", которая, как предполагается, расширяет вселенную.

Что еще присуще материи? Материя может обладать зарядом. Электрон обладает отрицательным зарядом. Протон - положительным.

А вот электрический заряд фотона света равен нулю. Можно принять, что свет зарядом не обладает, несмотря на то, что является электромагнитным излучением.

Что же такое заряд? Это свойство материальных частиц отталкиваться или притягиваться (то есть направленно менять свои координаты) помимо гравитационного взаимодействия. Электрический заряд - это физическая величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. То есть, согласно этому определению, электрический заряд - это способность взаимодействовать с электрическими зарядами. Электрический заряд не существует сам по себе без носителя заряда.

То есть потерли расческу - и к ней притянулся волосок. Притянулся, но не потому, что расческа его гравитационно притянула. И волосок и расческа притягиваются к Земле, чья масса во много раз больше этих объектов. Причем свойство притягивать волосок у расчески появляется только после расчесывания волос или после того, как ее потереть. Значит, речь идет не о гравитации. Тогда эту силу мы назовем силой электромагнитного взаимодействия. Почему электро? Потому что иногда можно увидеть искорки. Почему магнитного? Потому что притягивает.

Вот и всё. Обнаружили еще одну из основных сил природы. Самые важные физические открытия начинаются с простых бытовых наблюдений и мысленных экспериментов.

Итак, мы имеем дело с гравитацией в макромире. В микромире она, видимо, тоже существует, но настолько мала, что практически себя не проявляет.

Были попытки описать гравитацию на квантовом уровне, но пока они не увенчались успехом. А ведь это сулит объединением таким образом гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построение так называемой "теории всего".

В квантовом мире играют роль силы электромагнитного взаимодействия, которые на малых расстояниях гораздо сильнее гравитации. А совсем уж на малых растояниях действуют еще гораздо большие ядерные силы, скрепляющие частицы в ядрах атомов.

Почему нельзя было обойтись при создании вселенной одной силой гравитации? Во-первых, надо было создать ее очень слабой, чтобы она действовала на огромных расстояниях. Создай ее сильнее - и весь мир сколлапсировал бы в одну вселенскую черную дыру. А слабая гравитационная сила не способна соединять элементарные частицы, обладающие очень малой массой и высокой энергией. А более сильное гравитационное взаимодействие в квантовом мире не позволило бы ввести квантовые законы, а они, как будет показано далее, нам нужны для существования атомов и, опосредованно, для существования макромира.

Нравится нам или нет, в нашем мире мы имеем дело с материей и энергией, а также с четырьмя фундаментальными силами - гравитацией, электромагнитным взаимодействием и ядерным взаимодействием, делящимся на слабое и сильное. Сильное ядерное взаимодействие действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за целостность ядер атомов.

Слабое ядерное взаимодействие ответственно, в частности, за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики и физики высоких энергий (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий - гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.

Конечно, нам всем было бы понятнее и проще, если бы в мире существовала только одна сила для всех уровней и целей или хотя бы у всех этих сил была бы одна и та же природа. Возможно, когда-нибудь некое открытие приведет к унифицированному пониманию всех сил, но, впрочем, может оказаться, что откроют и пятую и шестую фундаментальную силу. Ведь ещё сравнительно недавно о сильных и слабых ядерных взаимодействиях ученым ничего не было известно. Эти силы невозможно обнаружить, упав на пол или потерев расческу.

Зачем нужны кванты?

Люди издавна полагали, что в основе мира должна быть некая неделимая частица. Многие тысячелетия назад она получила название "атом", что означает "неделимый". Но двадцатый век показал, что атом не является неделимым. Оказалось, что он состоит из ядра и окружающих его электронов, которыми атомы могут обмениваться в ходе химических реакций. Далее оказалось, что и ядро можно разделить. Оно состоит из протонов и нейтронов и при определенных условиях ядра могут распадаться (в процессе радиактивного распада), на основе чего были созданы ядерные бомбы и атомные электростанции. Оказалось, что и сами частицы, составляющие ядро, в свою очередь как бы состоят из таинственных кварков, которые, правда, вне ядра сами по себе не встречаются.

Итак, человечество осталось без неделимой составляющей всего сущего? Напротив. Оказывается, такой неделимостью обладает скорее не материя, а энергия.

(Хотя Эйнштейн доказал, что они могут перетекать одна в другую).

Эту неделимую порцую энергии назвали квантом. Термин квант был впервые введен Максом Планком. А сам Планк предложил "постоянную Планка", которая стала основной константой квантовой теории.

Планковский квант представляет собой очень малую неделимую порцию энергии. Меньше этой минимальной порции энергия не может ни испускаться, ни поглощаться.

Более того, больше этой величины энергия может испускаться или поглощаться только будучи кратной этой величине. То есть, говоря простым языком, принимать значения один, два или три, но, скажем, не один с половиной или два с четвертью.

Что такое дискретная величина, понять легко. Представьте себе группу людей. Вы можете посчитать их только в целых величинах, ибо половина человека может иметь статистический, но не физический смысл, потому что людей мы считаем целиком. Другой пример. Возьмем самые мелкие монеты. Из них мы можем получить разные суммы, но все они будут кратны самой маленькой монете. Вот только в крайнем случае можно разрубить монету на части. Что же касается планковского кванта - он недробим.

Итак, философский вопрос. Почему в основе мира лежит свойство, недопускающее непрерывность испускания и поглощения энергии? Дискретность - это прерывистость. Синонимы к слову дискретный: дробный, конечный, корпускулярный, отдельный, прерывистый, раздельный и тому подобное.

Одна из наиболее очевидных и известных причин - энергетические электронные уровни в атомах. Наличие уровней, разделенных между собой запрещенными зонами, в которых электрон оказаться не может, лежит в основе химических взаимодействий. В противном случае можно предположить, что структура электронной оболочки атома не могла бы существовать. Знакомые со школы постулаты Бора гласят, что электроны не просто занимают так называемые энергетические уровни (орбитали), но и то, что они строго дискретны и излучение (или поглощение) энергии (квантов) происходит только при переходе их с одного на другой уровень. А поскольку кванты дробными быть не могут и всегда кратны постоянной Планка, то и оказаться между уровнями они не могут. То есть не само пространство между уровнями заколдовано, а просто оказаться там электрон не может, потому что для этого ему надо было бы получить или отдать дробный квант, а это невозможно. Таким образом, состояния, при которых не происходит излучение, называются стационарными и являются теми самыми орбиталями, на которых находятся электронные облака.

Почему облака, а не частицы? Потому что речь идет скорее не о механическом движении электрона по орбите вокруг ядра, а о вероятностях его нахождения в той или иной точке орбитали, если вообще можно говорить о таких понятиях, как разные точки орбитали.

Для того, чтобы себе представить электрон в атоме, возьмите лазерную указку и начните вращать так быстро, чтобы красная точка образовала круг.

Благодаря квантам мы имеем всё разнообразие химических веществ и взаимодействий между ними. То есть получается, что без квантов электронные оболочки атомов находились бы в хаосе. Не забывайте, что электроны одинаково отрицательно заряжены, а одинаковые заряды отталкиваются. Можно предположить, что электронные облака пребывали бы в беспорядке, взаимно отталкиваясь и выбрасывая друг друга из атома. Короче говоря, квантование энергии наводит порядок в орбиталях атомов и благодаря этому существует разнообразие веществ и химических взаимодействий.

А можно было бы всё устроить как нибудь иначе? Скорее всего можно, но это был бы совсем другой мир. Во всяком случае, если мы хотим построить мир, основанный на атомах и их взаимодействиях, порядок в их электронных облаках необходим, и довольно остроумно заложить этот порядок через квантование энергии, чем каким-то другим образом наводить порядок в орбиталях, тем более, что квантование нам может пригодиться еще во многих других процессах.

Назначив планковский кирпичик главным и неделимым мерилом энергии, мы тем самым сразу заявляем о некоем порядке.

Как решить, какой количественно нужно назначить постоянную Планка, чтобы вся система атомов и взаимодействий работала - задача не из легких.

Но некий творец, или же не менее всемогущая случайность, в этом преуспели. Значение постоянной Планка таково, что мир исправно функционирует.

Начиная творить вселенную, неплохо задуматься о некоем минимальном мериле сущности вселенной. Есть ли вероятность, что ученые заблуждаются и что никакой постоянной Планка не существует? Очень маловероятно. За более чем сто лет накопилось огромное число доказательств, что квантовая теория верна, по крайней мере в обозримом будущем ничего лучшего для объяснения микромира предложено не будет.

Почему же отрицательные электроны не падают на положительно заряженное ядро? Может, в силу той же причины, что Луна не падает на Землю? Нет. Взаимодействие между макрообъектами обусловлено гравитацией, а именно свойством массы искривлять пространство вокруг себя. На этом свойстве основана сила притяжения. Два гравитационно связанных между собой тела, имеющие некоторые начальные линейные скорости, начинают вращаться вокруг центра масс, некой виртуальной точки, определяемой соотношением масс.

Без линейной скорости, ненаправленной к центру масс, небесные тела сразу падали бы друг на друга, но за счет своей линейной скорости они падают не отвесно, а дугообразно. При достаточной скорости дуга превращается в круговую орбиту и столкновения не происходит.

В атоме гравитационные силы практически не учитываются из-за ничтожной массы атома.

Тут в игру вступает квантовая механика. Дело в том, что электрон не вращается по орбите, а сосредоточен вокруг протона. В квантовой механике действует принцип неопределенности, о которой мы подробно будем говорить ниже. Электрон не имеет четкой координаты или импульса, а имеет какое-то распределение вероятностей, чем уже его вероятная область по координате, тем шире по импульсу. Если бы электрон приблизился близко к протону, мы бы точно знали его координату. В результате электрон мог бы получить достаточно большой импульс, чтобы улететь назад далеко от протона или вообще из атома. Поэтому, чтобы связать вместе две элементарные частицы, нужно, чтобы взаимодействие было очень сильным. Таким, например, как ядерное, которое по масштабам энергий гораздо больше электромагнитного. Такие ядерные силы действуют при термоядерном слиянии ядер, но без туннелирования однозарядных частиц друг к другу, о котором мы будем говорить позже, это было бы невозможно.

Так что же, электрон не может упасть на ядро? Ведь если мы имеем дело с суммой вероятностей, то существует вероятность, что координата электрона совпадет с координатами ядра. Да, оказывается такое случается. Протон атомного ядра, поглотив электрон, превращается в нейтрон. Следует подчеркнуть, что эти процессы возможны только для протона в некоторых ядрах, достаточно редки и носят название "электронный захват".

Дайте физикам задачу на досуге построить механический или какой-нибудь вообще альтернативный атом без квантовых свойств. Скорее всего, у них это не получится.

ФИЛОСОФИЯ прерывности и непрерывности

Мы установили, что квантовому миру присуща дискретность, энергия квантуется, то есть разделяется на порции, кратные константе Планка.

Случайно ли это или дискретность необходима для построения определенных систем? Существуют ли важные составные мироздания, которые не квантуются? Можно ли квантовать пространственно-временной континиум? Гравитацию? Такие попытки постоянно совершаются.

Однако, наблюдая устройство мира, можно сказать, что дискретность не является обязательным условием построения макросистем, хотя в большинстве из них дискретность является необходимым условием. Мы уже приводили пример из социологии, где общество состоит из отдельных индивидов. Они не перетекают постепенно один в другого, а являются вполне отдельными единицами. Само слово индивид намекает своим латинским происхождением на значение "неделимый".

Но дело в том, что, переходя с уровень на уровень, системы могут перетекать из прерывного состояния в непрерывное и обратно.

Можно предположить, что наше сознание предпочитает оперировать с дискретными объектами, выделяя даже в континиуме определенные области и относясь к ним как к дискретным. Например, температуру или время мы разделяем на градусы и секунды, хотя и то и другое является континуумом (пока мы не обнаружили, что они квантуются).

Однако, если в приведенных примерах дискретность искусственно навязана нашим сознанием, то, по всей видимости, в квантовом мире дискретность энергии является основополагающим моментом.

В силу своей философской фундаментальности категории непрерывности и прерывности подробно обсуждались уже в античности. Факт движения связывает воедино проблемы непрерывности и прерывности пространства, времени и самого движения. В пятом веке до нашей эры Зенон Элейский формулирует основные понятия, связанные как с дискретной, так и с непрерывной моделями движения. Зенон показал, что континуум не может состоять из бесконечно малых неделимых точек, так как тогда величина бы складывалась из невеличин "нулей". Но это скорее рассуждения, основанные на мысленном эксперименте, игнорирующие тот факт, что на квантовом уровне понятие координаты иное в силу суперпозиций и принципа неопределенности. Чаще всего мы не можем говорить о точных координатах частицы, а лишь о вероятностях ее нахождения в той или иной точке пространства до того, как произведены измерения. В момент измерения координаты происходит редукция суперпозиции, схлопывание (коллапс) волновой функции. А пока измерение не произведено, частица может находиться как бы одновременно в нескольких координатах. Зенон, разумеется, этого не знал.

Античные атомисты Демокрит, Левкипп, Лукреций и другие стремились представить все сущее как своеобразную смесь дискретных элементов (атомов).

Но довольно быстро происходит разделение точек зрения физических атомистов, мыслящих атомы неделимыми конечными элементами, и математических атомистов, для которых неделимые не имеют величины (точки). Последний подход успешно использует, в частности, Архимед для нахождения площадей и кубатур тел, ограниченных кривыми и неплоскими поверхностями.

Абстрактно математический и физикалистский подходы еще не слишком рельефно разделены в античной мысли. Так, вопрос о природе треугольника, из которых в "Тимее" Платона складываются многогранники элементов, остается дискуссионным (проблема в том, что здесь из плоскостей складываются трехмерные элементы, т.е., вероятно, имеет место математический атомизм).

Для Аристотеля непрерывное не может состоять из неделимых частей. Аристотель различает следующее по порядку, соприкасающееся и непрерывное.

Еще острее вопрос о природе континуума обсуждается в средневековой схоластике. Рассматривая его в онтологической плоскости, сторонники и противники континуальной космологии относят другую возможность истолкования в сферу субъективного, только мыслимого (или чувственного). Так, Генрих Гентский утверждал, что существует собственно лишь континуум, а все дискретное, и прежде всего число, получается через проведение границ в континууме. Николай из Отрекура, наоборот, считал, что хотя чувственно данный континуум и делим до бесконечности, в действительности же континуум состоит из бесконечного числа неделимых частей.

Традицию физического атомизма - "линию Демокрита" - подхватывает Джордано Бруно. Атомистика же Галилея носит явно математический характер. Тела у Галилея состоят из бесконечно малых атомов и бесконечно малых промежутков между ними, линии строятся из точек, поверхности - из линий и так далее.

В философии Лейбница была дана оригинальная интерпретация соотношения непрерывности и прерывности. Лейбниц разводит непрерывность и прерывность по разным онтологическим сферам. Действительное бытие дискретно и состоит из неделимых метафизических субстанций - монад. Мир монад не дан непосредственному чувственному восприятию и открывается только размышлением. Непрерывное же является основной характеристикой лишь феноменального образа Универсума. Мир непрерывного не есть мир действительного бытия, а мир лишь возможных отношений. Непрерывны пространство, время и движение. Более того, принцип непрерывности является одним из фундаментальных начал сущего.

Иммануил Кант, полностью поддерживая лейбницевский тезис о феноменальности пространства и времени, строит, тем не менее, континуалистскую динамическую теорию материи. Последняя существенно повлияла на Шеллинга и Гегеля, которые также выдвигали ее против атомистических представлений.

Так ли важно, что дискретно, а что представляет из себя континуум? Одно и то же может выступать и так и эдак. Возможно, для взаимодействия в квантовых системах энергия квантуется на неделимые части, а в каких-то других, еще не открытых обстоятельствах, она представляет собой непрерывную. Возможно, в неких условиях окажется, что бывают кванты в половину или треть константы Планка. Звучит как ересь. Но разве сто лет назад зарождающаяся квантовая механика не звучала как еще большая ересь? Скорее урок не ставить слишком много на каноны и постулаты. Ведь наука, в конце концов, не религия, и ее каноны нужно постоянно пытаться опровергать, что позволяют себе лишь некоторые особо смелые ученые под угрозой остракизма.

Дело в том, что дискретность может оказаться относительной. Для квантовых систем она существует, а для каких-то других, неизвестных нам систем - отсутствует.

Словно бы тот, кто создавал вселенную, поступал так, как ему удобно, легко отказываясь от собственных фундаментальных законов при переходе от макро- на микроуровень или, например, в теории относительности, переходя от малых скоростей к близким к скорости света.

В макромире квантовые эффекты неощутимы, в нём господствует гравитация. В микромире наоборот, квантовые эффекты чрезвычайно важны, а гравитация, насколько пока известно, практически не играет роли во взаимодействии между квантовыми частицами.

Интересен момент перехода, когда квантовый мир встречается с нашим макромиром. Происходит так называемое схлопывание волновой функции, о котором мы уже говорили и еще будем говорить.

ЭФФЕКТ НАБЛЮДАТЕЛЯ

Эффект наблюдателя (сознание наблюдателя) - группа гипотез о возможности влияния наблюдателя на элементарные частицы. Восходит к идеям создателей квантовой механики и является следствием проблемы измерения квантовых эффектов. Ведущую роль в формировании реальности Нильс Бор отвел наблюдателю, чьи идеи потом легли в основу копенгагенской интерпретации. По мнению Бора, без наблюдателя окружающая реальность представляет собой лишь вероятностную форму. Конкретная реальность появляется лишь с приходом наблюдателя. Некоторые ученые ставят знак равенства между наблюдателем и человеческим сознанием. Так, Вернер Гейзенберг в книге "Физика и философия" упоминает субъективного наблюдателя. Хью Эверетт в научной статье "Формулировка квантовой механики через соотнесенные состояния" пишет про осознающего наблюдателя. Вольфганг Паули и Юджин Вигнер пришли к выводу, что квантовая механика, включающая в себя сознание наблюдателя, может оказаться несовместимой с материализмом. Понимая, что это может привести к научному объяснению религиозных концепций, Джон Уилер заявляет, что: "Наблюдатели необходимы, чтобы привести вселенную в бытие". Также подобными идеями интересовались такие учёные как Альберт Эйнштейн, Дэвид Бом, Амит Госвами, Роджер Пенроуз и Фред Алан Вольф.

Эффект наблюдателя можно объяснить тем, что наблюдатель сам не является квантовым объектом. То есть теоретически является, как и всё состоящее из элементарных частиц и атомов, но квантовые эффекты для макрообъекта-наблюдателя не учитываются в силу своей неопределимости.

Зачем нужны квантовые волны

Осознание того, что все частицы в микромире являются одновременно и частицами и волнами, начался со знаменитого эксперимента, когда свет пропускают через одну дырку и он ведет себя как частица, а потом пропускают через две и он ведет себя как волна.

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 иногда запутанном 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 объекты.

Опять же возникает вопрос, зачем было так сложно создавать мир? Нельзя было ограничиться законами механики и на микроуровне?

В том-то и дело, что в большинстве процессов, если бы частицы и свет не имели дуальную корпускулярно-волновую природу, микромир не мог бы состояться. Если бы мы создавали мир, то могли бы тоже смухлевать ("чит" - как говорят игроки компьютерных игр, когда используют нечто, преобладающее над правилами и условиями игры.)

Вот такая двойная природа частиц и представляется таким своего рода "читом". Когда нужно один и тот же квантовый объект ведет себя как волна, а кода необходимо иначе, то ведет себя как частица.

Вроде бы свет волна, но иногда ведет себя как частица.

Например, эффект Комптона является одним из доказательств справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц и подтверждает существование фотонов. При столкновении фотона с электроном происходит изменение частоты фотонов, часть энергии которого после рассеяния передается электронам.

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону.

Обратный эффект Комптона ответственен за рентгеновское излучение галактических источников, рентгеновскую составляющую реликтового фонового излучения, как считается, оставшегося во Вселенной после Большого Взрыва.

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ПРИРОДА КВАНТОВОГО МИРА

Квантовая физика является вероятностной. Её законы весьма трудны для восприятия, похожи на мистические откровения, и эти слова "отца атомной бомбы" Роберта Оппенгеймера о поведении электрона вполне могли быть сказаны каким-нибудь восточным философом Лао Цзы за две с половиной тысячи лет до появления современной физики:

"Если спросят, постоянно ли его положение, нужно сказать "нет", если спросят, меняется ли оно со временем, нужно сказать "нет". Если спросят, неподвижен ли он, нужно сказать "нет", если спросят, движется ли он, нужно сказать "нет"".

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, и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от состояния отдельного квантового объекта.

То есть квантовые частицы пребывают 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, какую философскую позицию вы изберете. Но обе они приводят нас к принципу неопределенности.

Философия Принципа Неопределенности.

В квантовой системе мы можем либо определить место положения частицы или её импульс, но не то и другое. Как в сказке про дудочку и кувшинчик. Когда под звуки дудочки показываются ягодки, то нет кувшинчика, чтобы их собрать. А когда есть кувшинчик, то нет дудочки, чтобы заставить ягодки появиться.

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее - могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее - могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: "Противоположности дополняют друг друга". Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна - расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот.

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара - это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот - точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее - и не такие и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще? И главный вопрос, зачем это нужно?

Несчастный неживой и немертвый кот

Мысленные эксперименты с котом у Шредингера возникли не на пустом месте. С их помощью физик хотел объяснить непрофессионалу существующие пробелы в квантовой механике в связи с особенностями складывающихся отношений к макроскопическим системам с позиций систем субатомных. Причем здесь вымышленные коты и все такое прочее?

Мысленный эксперимент, в котором прославился безымянный кот, впервые был опубликован в научной прессе в 1935 г. В этот далекий от нас день Эрвин Шредингер еще не знал, что вскоре после публикации его "образное мышление" так взбудоражит широкие общественные массы, потому писал, наверное, несколько наукообразно и без оглядок на защитников вымышленных животных. Итак, вот адаптированная выдержка из научной работы известного физика:

"Допустим, некоторый кот находится взаперти в камере из стали, а компанию ему составляет машина смерти (защищенная от прямого контакта с животным). Далее о работе этой машины. Внутрь счетчика Гейгера помещено мельчайшее количество радиоактивного элемента. Оно настолько невелико, что по истечению всякого часа распасться способен лишь один атом. С аналогичной вероятностью он может остаться целым. В случае распада атома разрядится считывающая трубка, произойдет активация реле, в результате чего молоток обрушится на стеклянную емкость с синильной кислотой внутри. Вырвавшийся наружу яд убьет несчастное животное.

Если засечь время и оставить в покое на 60 минут стальную камеру с котом, то можно говорить о том, что животное выживет, если не произойдет распад атома. Ведь как только это случится - коту не сдобровать. В целом мы можем это выразить, заявив, что система существует, смешивая внутри себя мёртвого и живого кота в равных частях."

В аналогичных ситуациях характерным можно считать факт, что изначально ограниченная атомным миром неопределённость трансформируется в неопределённость уже макроскопическую. Ее можно устранить, просто заглянув внутрь металлической камеры.

КВАНТОВОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ и термоядерная реакция

Итак, продолжаем ставить себя на место творца. Мы создали материю во вселенной. Скажем, целое облако элементарных частиц. Но как заставить их слипаться вместе? Без атомов мы не возможно ничего стоящего создать. Ах да! Мы же придумали гравитацию! Эти самые облака частиц, обладая массой, искривляют пространство и действуют сами на себя и на другие большие скопления элементарных частиц, входящих в состав гигантских облаков. Облака начинают сжиматься, как говорится, под собственным весом, при этом создавая звезды, в которых с помощью термоядерного синтеза мы сможем сливать воедино протоны вместе и создавать ядра разных элементов.

Термоядерная реакция - это реакция синтеза тяжёлых ядер из более лёгких. В таких реакциях может выделяться очень большая энергия. Если удается объединить четыре протона в ядро гелия:

(при этом два протона превращаются в нейтроны, испуская положительно заряженные b‑частицы - позитроны), то выделившаяся кинетическая энергия была бы огромной. Именно засчет этого и горят звезды. То есть удобно, заодно в печке и атомы печем, и сами греемся.

Но, несмотря на огромное давление и температуру, соединить два положительных протона трудно. Электромагнитная сила отталкивания создает барьер для того, чтобы протоны сблизились настолько, чтобы начали действовать ядерные силы и намертво сцепили их вместе. Тут на помощь приходит тот факт, что положение протонов по отношению друг к другу есть лишь сумма вероятностей, и рано или поздно протон может оказаться по ту сторону барьера. Мало кто знает, что термоядерная реакция в звездах идет медленно и неэффективно. Вы поразитесь, когда узнаете, что человек той же массы, что водород в ядре звезды, излучает больше энергии. (Но мы ее берем извне, расщепляя химические связи молекул пищи). Солнце греет столь эффективно только за счет своей колоссальной массы. Благодаря квантовому туннельному эффекту реакция становится возможной. То есть частица преодолевает потенциальный барьер в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра и физике твёрдого тела.

Туннельный эффект имеет ряд проявлений в макроскопических системах:

Туннелирование носителей зарядов через потенциальный барьер p-n перехода, получившее практическое применение в туннельном диоде.

Также осуществляется туннелирование носителей зарядов через тонкую оксидную плёнку, имеющую диэлектрические свойства, покрывающую ряд металлов (в частности, алюминия) и обеспечивающее проводимость точек механического соединения проводников.

ФИЛОСОФИЯ НЕЛОКАЛЬНОСТИ

Квантовая физика нелокальна. Что означает это утверждение? Нелокальность - удивительное явление окружающего нас мира, противоречащее нашему интуитивному восприятию пространства и времени.

То есть в нашем понимании информация не может мгновенно переместиться в пространстве на любое расстояние без помощи какого-либо сигнала, основанного на физическом явлении - например электромагнитных волн. Существует ограничение. Ничто не может двигаться быстрее скорости света. Однако, относительно масштабов вселенной, скорость света ничтожно мала. Например, из конца в конец нашей галактики свет будет лететь сто тысяч лет, а до соседней галактики Андромеда - два миллиона лет. Между тем, наблюдая галактики и кластеры галактик, мы обнаруживаем весьма связанные структуры, простирающиеся на сотни и миллионы световых лет. Даже если предположить, что темп времени вселенной совершенно не соответствует нашему человеческому времени, согласитесь, это довольно странно. Разве что темп времени во вселенной идет во много раз быстрее, при том, что мы словно бы застыли в одном моменте. Именно так и выглядят фотографии галактик, у которых наблюдается движение, но не видимое нашему глазу, ибо их вращение происходит по нашему времени в течение миллионов лет.

Так или иначе в такой большой вселенной должно существовать нечто связующее бесконечно далекие точки эффективнее, чем световые сигнала с их воистину в масштабах вселенной черепашьими скоростями.

С одной стороны мы предполагаем, что такая связь может осуществляться посредством так называемых кротовых нор, манипуляций с самим пространственно-временным континуумом. Ведь вселенная может расширяться быстрее скорости света потому, что речь идет о расширении самого пространства.

Эффект нелокальности может быть другой связующей между удаленными точками пространства.

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 Подольским и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем "квантовой 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.

Взаимные превращения частиц и антивещество

Казалось бы, мы достаточно повстречали странностей, изучая квантовый мир. Вот еще одна из них: квантовые частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и уничтожаться в результате взаимодействия.

Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают и вместо них рождаются два гамма кванта.

Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались квантами с высокой энергией в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие частицы.

Распады частиц, их стабильность обусловлены законами сохранения. Так как в нашей части Вселенной практически нет античастиц и средние энергии частиц низкие, окружающее нас вещество стабильно.

Нестерпимое многообразие элементарных частиц

Чем еще раздражает квантовая физика, так это нестерпимым разнообразием элементарных частиц. Для базисных блоков, из которых построен мир, их слишком много и они слишком разные.

Со времен Ньютона и Лейбница под понятием "элементарная частица" подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накопления знаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарными частицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам нашего века число элементарных частиц достигло сотни. Возникли сомнения в их "элементарности". Казалось, что природа не может быть столь расточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличием меньшего количества унифицированных элементарных объектов.

На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц

В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон, мюон, таон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и таонное нейтрино. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы.

Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Квантовые компьютеры

Развитие сегодняшней компьютерной техники заставляет говорить о приходе эпохи "информационной цивилизации" и вновь ставит вопросы о соотношении дискретного и континуального.

Информация в компьютерах передается в виде дискретных битов, что напоминает процесс квантования энергии. Теперь ученые пытаются вывести компьютеры на новый уровень, создав квантовый компьютер, вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов. Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики.

Роль времени в квантовом мире

Сущность принципа одновременности квантовых событий не имеет смысла, поскольку течение времени в квантовом мире мы можем измерять только до определенного предела. Значит события, происходящие в рамках этого минимального предела, нам будут представляться одновременными, притом что это вполне может быть не так.

То есть если частица колеблется с такой скоростью, что мы не можем измерить эти колебания, то нам будет представляться, что она присутствует во многих местах одновременно. Такое ограничение возможности измерять сверхмалые отрезки времени могут объяснять принцип неопределенности и суперпозиции элементарных частиц. Они колеблются в определенном пространстве так быстро, что можно говорить лишь о вероятности, что если мы зафиксируем их координаты, то они могут оказаться в том или ином месте.

На сегодняшний день самый маленький экспериментально наблюдаемый промежуток времени составляет порядка аттосекунды (10 в минус 18 степени секунды), что соответствует 10 в 26 степени планковским временым отрезкам.

Пла́нковское вре́мя же, в свою очередь, это время, за которое волна или частица, не имеющая массы, двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину, о которой мы говорили вначале книги.

Планковское время также называют квантом времени - самым малым значением времени, хотя, нет доказательства, что время является дискретной величиной и не может быть раздроблено на меньшие отрезки, чем плантовское время.

Планковское время определяет масштабы, на которых современные физические теории перестают работать. Геометрия пространства-времени, предсказанная Общей теорией относительности, перестает иметь всякий смысл.

Итак, мы можем определять отрезки времени на 26 порядков длинее, чем планковское время. То есть для нас события, происходящие в этих границах, будут казаться одновременными.

Можно представить, что насколько квантовый мир меньше нашего обычного физического мира, настолько и время там течет быстрее. То есть если бы мы были квантовыми объектами, то, возможно наблюдали бы время, текущее в квантовом мире, соразмерно с квантовыми частицами, и тогда бы положение частицы в каждый момент времени для нас было бы определенным.

Если предпринять мысленный эксперимент и замедлить время на много порядков то, возможно, мы увидим колеблющийся электрон, который чаще всего оказывается вокруг места, где мы его находим с наибольшей степенью вероятности, но иногда, хоть и редко, отклоняется в крайние и даже весьма удаленные точки. Причем эти колебательные движения не являются настоящими движениями в пространстве, а именно колебаниями самого поля частицы. Таким образом, в какой-то момент ни гравитация, ни электромагнитные силы не могут воспрепятствовать частице оказаться за пределами барьера. А возвращение для частицы уже становится необязательным, поскольку в случае гравитации (испарения черных дыр) частица выходит за пределы зоны, где ее скорость недостаточна для убегания, а в случае туннелирования при термоядерном синтезе на протон начинают действовать ядерные силы и уже не отпускают. Так можно объяснить квантовое туннелирование.

Во всяком случае, поскольку мы можем фиксировать наименьший отрезок времени на 26 порядков длиннее планковского времени, то одновременно или частица находится в нескольких координатах или последовательно не имеет значения. Для нас она колеблется слишком быстро и мы можем точно установить ее координату более или менее точно только в момент измерения.

Роль времени на межгалактическом уровне

Мы установили, что квантовому миру может быть присуще слишком быстро текущее время. Сравнивая скорость событий в квантовом мире с нашим течением времени, скорее всего, это так. Во всяком случае, такая концепция позволит легче уяснить, как частица оказывается в нескольких местах одновременно. Мы просто не можем различить промежутки времени, за которое частица, колеблясь, может менять координату, импульс и так далее.

Что, если микромир слишком быстр для нас, а мир на галактической и межгалактической шкале на несколько порядков медленнее?

Это бы объясняло странность того, что скорость света нам представляется столь медленной относительно размеров галактики и расстояния между галактиками. Что, если галактическое время относительно нашего времени идет на несколько порядков медленнее? Мы словно видим галактики застывшими во времени, а световые лучи медленно тысячелетиями ползущими к нам.

Однако можно представить, что настоящее взаимодействие на большом уровне происходит в резонном темпе, а просто нам представляется настолько замедленным, что практически неподвижным.

Галактика - объект, в которой световой сигнал по нашему времени летит из конца в конец сто тысяч лет.

А что, если по галактическому времени это происходит быстро, и вращение галактики, и возраст вселенной - все происходит совершенно в другом темпе, не застывше замедленном, а нормальном?

Именно так и выглядят галактические объекты. Именно они выглядят очень динамично, несмотря на то, что нам представляются застывшими.

Что, если эволюция звезд на галактической шкале времени вовсе не медлительна, а идет в быстром темпе?

То есть мы видим кинохронику вселенной, практически остановившейся в стоп кадре, но на самом деле это просто наше время слишком быстро по сравнению с галактическим временем.

Опять же, такое представление ничего для нас не меняет, но вносит определенную ясность, почему галактические объекты нам представляются столь, мягко говоря, заторможенными. Мы же наоборот, с точки зрения галактического времени существуем, словно в квантовом времени, настолько быстро текущем для галактики, что появление и исчезновение нашего солнца, планеты и уж тем более нас самих не может быть замечено.

Представьте, что на некоем квантовом объекте произошло бы некоторое событие, длина которого была бы меньше минимальной определимой длины. Мы бы просто не могли его заметить.

Квантование мысли

И наконец последняя идея, или скорее, шутка, касательно философии квантования. Что, если принять, что наши мысли, находясь в подсознательном состоянии, также не определенны, пока не подвергаются осознанию? То есть наша мораль, желания и все прочее содержание нашего подсознательного имеет квантовую природу. То есть речь идет лишь о вероятностях.

Особенно автору нравится идея квантовой морали. То есть, пока не совершается поступок, намерения могут быть любыми - от убийства до самопожертвования, и лишь совершаемый поступок вызывает редукцию, коллапс волновой функции мысли, сделав ее конкретизуемой в поступке.

Это, конечно, шутка. Автор против того, чтобы переносить физические явления, даже очень странные, в область психологии.

Осмысление квантовой физики

Целью этой книги была попытка осмысления квантовой физики с философской точки зрения на уровне сегодняшних представлений о реальности и о том, как устроен наш мир в самой своей основе.

Автор, как и обещал, не включил в повествование ни одной формулы, а также старался не изъясняться на непонятном научном языке, предварительно доступно не объяснив все необходимые понятия. Автор надеется, что в погоне за простотой не исказил основных понятий.

Квантовый мир оказался удивительным и парадоксальным. Однако эта парадоксальность неслучайна. Она имеет необходимые функции, без которых макромир был бы невозможен.

Что же касается мира на галактической межгалактической шкале, то и он невозможен без нас. Ведь, согласно Аристотелю, мир не существует, пока мы за ним не наблюдаем.

По сравнению с миром галактик можно сказать, что мы, люди, имеем свойства и размеры элементарных частиц, но при этом являемся свидетелями его существования в его эпохальной эпической неподвижности. Спирали галактик застыли пред нашим взором и по ним нестерпимо медленно ползут световые лучи. Может, это нужно, чтобы мы могли получше рассмотреть этот гигантский мир?

Может быть, поэтому разум расположился посредине между миром галактик и миром квантов, дабы выполнять роль осознающего весь мир целиком во всей его полноте.

Оставить комментарий

Обновлено: 13/01/2024. 67k. Статистика.

Монография: Философия

Связаться с программистом сайта.

Кригер Борис Юрьевич Философия квантовой физики

Кригер Борис Юрьевич
Философия квантовой физики