Само слово «квантовый» будоражит воображение людей. И, скорее всего, вы хотя бы раз попадались на удочку одного из таких мифов.
На протяжении столетий законы физики казались полностью детерминированными. Если вы знали, где находится каждая частица, как быстро она движется и какие силы действуют между ними в любой конкретный момент, вы могли точно рассчитать, где они окажутся и что будут делать в любой момент в будущем. От Ньютона до Максвелла правила, управлявшие Вселенной, не содержали никакой внутренней, присущей им неопределенности. Единственные ограничения возникали из-за недостатка ваших знаний, точности измерений и вычислительной мощности.
Все изменилось чуть более 100 лет назад. От радиоактивности до фотоэлектрического эффекта и поведения света при прохождении через двойную щель — мы начали понимать, что во многих обстоятельствах можем предсказать лишь вероятность возникновения тех или иных исходов как следствие квантовой природы нашей Вселенной. Но вместе с этой новой, противоречивой картиной реальности возникло множество мифов и заблуждений. Вот научное объяснение десяти из них.
1. Квантовые эффекты происходят только на малых масштабах
Когда мы думаем о квантовых эффектах, мы обычно представляем отдельные частицы (или волны) и причудливые свойства, которые они демонстрируют. Но существуют и крупномасштабные, макроскопические эффекты, которые по своей природе являются квантовыми.
Проводящие металлы, охлажденные ниже определенной температуры, становятся сверхпроводниками: их сопротивление падает до нуля. Создание сверхпроводящих треков, над которыми левитируют и по которым движутся магниты, не замедляясь, — это сегодня обычный студенческий научный проект, основанный на сугубо квантовом эффекте.
Сверхтекучие жидкости могут быть созданы в больших, макроскопических масштабах, как и «квантовые барабаны», которые одновременно вибрируют и не вибрируют. За последние 25 лет было присуждено 6 Нобелевских премий за различные макроскопические квантовые явления.
2. «Квантовый» всегда означает «дискретный»
Идея о том, что материю (или энергию) можно нарезать на отдельные кусочки — или кванты — является важной концепцией в физике, но она не полностью охватывает то, что значит «квантовый» по своей природе. Для примера рассмотрим атом. Атомы состоят из атомных ядер и связанных с ними электронов.
Теперь задайтесь вопросом: где находится электрон в любой момент времени?
Хотя электрон — это квантовая сущность, его положение неопределенно, пока вы его не измерите. Возьмите много атомов и свяжите их вместе (например, в проводнике), и вы наверняка обнаружите, что, хотя существуют дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, их положение может быть буквально где угодно внутри проводника. Многие квантовые эффекты непрерывны по своей природе, и вполне возможно, что пространство и время на фундаментальном, квантовом уровне тоже непрерывны.
3. Квантовая запутанность позволяет передавать информацию быстрее скорости света
Вот эксперимент, который мы можем провести: создайте две запутанные частицы, разнесите их на огромное расстояние, измерьте определенные квантовые свойства (например, спин) одной частицы на вашем конце, и вы мгновенно узнаете некую информацию о квантовом состоянии другой частицы: быстрее скорости света.
Но вот в чем загвоздка этого эксперимента: никакая информация не передается быстрее скорости света. Все, что происходит, — это то, что, измеряя состояние одной частицы, вы ограничиваете вероятные исходы для другой. Если кто-то пойдет и измерит другую частицу, у него не будет способа узнать, что первая частица была измерена и запутанность была нарушена. Единственный способ определить, разорвана запутанность или нет, — это снова объединить результаты обоих измерений: процесс, который может происходить только со скоростью света или медленнее. Никакая информация не может быть передана быстрее света; это было доказано в теореме 1993 года.
4. Суперпозиция фундаментальна для квантовой физики
Представьте, что у вас есть несколько возможных квантовых состояний, в которых может находиться система. Может быть, она находится в состоянии «А» с вероятностью 55%, в состоянии «Б» с вероятностью 30% и в состоянии «В» с вероятностью 15%. Однако при проведении измерений вы никогда не увидите смесь этих возможных состояний; вы получите только одно состояние: либо «А», либо «В», либо «С».
Суперпозиции чрезвычайно полезны в качестве промежуточных этапов вычислений для определения возможных исходов (и их вероятностей), однако их невозможно измерить напрямую. Кроме того, принцип суперпозиции применим не ко всем измеряемым величинам в равной степени: возможна суперпозиция импульсов, но не координат, и наоборот. В отличие от квантовой запутанности, которая является фундаментальным квантовым явлением, суперпозиция не поддается количественному или универсальному измерению
5. Нет ничего плохого в том, чтобы выбрать свою любимую интерпретацию квантовой механики
Физика — это про то, что вы можете предсказать, пронаблюдать и измерить в этой Вселенной. Тем не менее, в квантовой физике существует множество способов представить себе, что происходит на квантовом уровне, и все они одинаково хорошо согласуются с экспериментами. Реальность может представляться как:
- последовательность квантовых волновых функций, которые мгновенно «коллапсируют» в момент измерения;
- бесконечный ансамбль квантовых волн, из которого измерение выбирает один конкретный элемент;
- суперпозиция опережающих и запаздывающих потенциалов, которые встречаются в «квантовом рукопожатии»;
- бесконечное множество возможных миров, соответствующих вариантам исходов, где мы просто следуем по одному из путей;
а также многими другими способами. Тем не менее, предпочтение одной интерпретации другой не дает нам никаких новых знаний — разве что указывает на наши человеческие предвзятости. Гораздо важнее изучать то, что поддается наблюдению и измерению в различных условиях (то есть физически реально), чем отдавать предпочтение концепции, не имеющей никаких экспериментальных преимуществ перед остальными».
6. Благодаря квантовой механике телепортация стала возможной
Действительно существует реальное явление, известное как квантовая телепортация, но оно вовсе не подразумевает, что мы можем физически перенести объект из одного места в другое. Если взять две запутанные частицы и отправить одну из них в нужную точку, оставив вторую у себя, можно телепортировать информацию о неизвестном квантовом состоянии с одного конца на другой.
Тем не менее, здесь есть жесткие рамки: это применимо только к отдельным частицам, и передается лишь информация о неопределенном квантовом состоянии, а не физическое вещество. Даже если бы удалось масштабировать технологию до передачи квантовых данных, описывающих целого человека, пересылка информации всё равно не была бы переносом материи. Квантовая телепортация никогда не позволит телепортировать человека
7. В квантовой Вселенной всё неопределенно
На самом деле, неопределенность касается лишь некоторых вещей, в то время как многие другие в квантовой Вселенной определены чрезвычайно четко и хорошо известны. Если мы возьмем, к примеру, электрон, то ни при каких обстоятельствах не сможем точно и одновременно узнать:
- его координату и импульс;
- либо его момент импульса в нескольких взаимно перпендикулярных направлениях.
Однако некоторые характеристики электрона можно знать абсолютно точно! Мы можем с полной уверенностью определить его массу покоя, электрический заряд или время жизни (которое, по всей видимости, бесконечно).
В квантовой физике неопределенность присуща только парам физических величин, которые находятся в специфической зависимости друг от друга — так называемым сопряженным переменным. Именно поэтому существуют соотношения неопределенностей между энергией и временем, напряжением и свободным зарядом или моментом импульса и угловым положением. Несмотря на то, что многим парам величин свойственна неустранимая взаимная неопределенность, множество других величин поддаются точному измерению
8. Все частицы одного типа имеют одинаковую массу
Если бы вы могли взять две идентичные частицы — например, два протона или два электрона — и поместить их на идеально точные весы, их массы всегда были бы абсолютно одинаковыми. Но это лишь потому, что протоны и электроны — стабильные частицы с бесконечным временем жизни.
Если же взять нестабильные частицы, которые распадаются спустя короткое время (например, два топ-кварка или два бозона Хиггса), и взвесить их на идеально точных весах, вы получите разные значения. Это происходит из-за фундаментального соотношения неопределенностей между энергией и временем: если частица существует лишь конечное время, возникает неустранимая неопределенность в значении её энергии (а следовательно, согласно формуле E = mc², и её массы покоя). В физике элементарных частиц это явление называют „шириной“ частицы; из-за него собственная масса частицы может варьироваться в пределах нескольких процентов.
9. Эйнштейн и сам отрицал квантовую механику
Это правда, что Эйнштейну принадлежит знаменитая цитата о том, что „Бог не играет в кости со Вселенной“. Однако возражение против фундаментальной случайности, присущей квантовой механике (а именно об этом шла речь в контексте цитаты), — это спор об интерпретации квантовой механики, а не аргумент против самой теории.
Фактически суть аргументации Эйнштейна сводилась к тому, что устройство Вселенной может быть сложнее того, что мы способны наблюдать в данный момент. Он полагал, что если бы мы поняли правила, которые нам ещё предстоит открыть, то за кажущейся случайностью могла бы обнаружиться более глубокая, детерминированная истина. Хотя эта позиция и не принесла практически значимых результатов, изучение основ квантовой физики остается активной областью исследований, в ходе которых был успешно опровергнут ряд интерпретаций, предполагавших наличие во Вселенной „скрытых параметров“.
10. Обмен частицами в квантовой теории поля полностью описывает нашу Вселенную
Существует „грязный секрет“ квантовой теории поля, о котором физики узнают в аспирантуре: он касается метода, который мы чаще всего используем для расчета взаимодействий между любыми двумя квантовыми частицами. Мы представляем их как обмен частицами между этими двумя квантами, наряду со всеми возможными дальнейшими обменами, которые могут происходить на промежуточных этапах.
Если экстраполировать это на все возможные взаимодействия — до того, что ученые называют произвольным порядком по числу петель, — вы придете к бессмыслице. Этот метод является лишь приближением: это асимптотический расходящийся ряд, который перестает работать после определенного количества членов. Это невероятно полезная модель с точки зрения её вычислительной мощности, но она имеет фундаментальные пределы применимости и, следовательно, принципиально неполна. Идея о том, что силы переносятся посредством „обмена виртуальными частицами“, убедительна и интуитивно понятна, но вряд ли она станет окончательным ответом.
Избавление от этих заблуждений не лишает квантовый мир его магии, а лишь меняет её природу — с дешевой мистики на величественную реальность. За фасадом популярных мифов скрывается не хаос и произвол, а строгая, пусть и парадоксальная, архитектура бытия. Отказываясь от наивных мечтаний о мгновенной телепортации или всесильной неопределенности, мы получаем взамен нечто куда более ценное: понимание того, как природа на самом деле плетет ткань пространства и времени. Истина заключается не в том, что «возможно всё», а в том, что даже в самых странных своих проявлениях Вселенная следует законам, которые мы постепенно учимся читать. В конечном счете, реальная физика, очищенная от домыслов, всегда оказывается фантастичнее любой выдумки.
Комментарии (4)