Технические науки

Этот безумный квантовый мир. Часть 1

Андронный коллайдер

Ускоритель частиц — устройство, способное с помощью электромагнитного поля разгонять потоки заряженных частиц до скоростей, близких к скоростям света. С помощью таких устройств учёные смогли заглянуть в мир взаимодействия частиц. Самым известным и большим ускорителем является Большой Адронный Коллайдер (БАК). CERN / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей рассказать нам, что они изучают. Первую небольшую лекцию для нас прочитал магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Михаил Каликин. Он рассказал нам о малопонятном даже для физиков мире квантов.


Другие лекции серии:

Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин

Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число

Этот безумный квантовый мир. Часть 4: Квантовые компьютеры


 

Свет — это частица или волна?

Квантовый мир абсолютно, совершенно безумен. А безумен он почему? Потому что нам, обычным смертным, он кажется совершенно непонятным и чужим. В макромире у нас с детства вырабатывается представление о том, как, что и за чем должно следовать. Однако когда люди стали изучать квантовый мир, они не могли понять, что с этим кошмаром делать. В привычном нам пространстве есть объекты, которые могут сталкиваться, крушиться, падать на землю. И даже взлетать, если, как заметил Архимед, будет сила, способная их выталкивать — например, при нахождении в газе или жидкости. В квантовом же мире творится полное безумие, потому что там частицы вели себя не так, как мы привыкли, а так, как привыкли они, и это было совершенно непонятно.

Тем временем существовала в оптике одна проблема, и люди пытались её решить. А именно: выяснить, что же такое свет — частица или волна? И все до этого думали, что есть только один ответ. Люди пока не знали какой, но какой-то один, и до него надо копать, копать,и найти его, наконец. А когда ученые залезли в квантовый мир, они поняли, что свет совершенно точно — это и свет, и частица, и в то же время ни то и ни другое, потому что ведёт он себя так, как хочет он, а не так, как хотим мы.

То есть оказалось, что привычный нам свет вёл себя и как частица, и как волна. Однако, когда провели эксперименты с единичными частицами света — фотонами,— они тоже вели себя как волны. Хотя они у них были, конечно, не «волнами» в привычном смысле. Как, например, это происходит с водой: мы видим, что бежит волна и состоит из маленьких частиц воды.

Что значит «частица ведёт себя как волна»

Схема прохождения световых волн через щели.

Схема прохождения световых волн через щели. Когда через них проходит пучок света, он демонстрирует волновые свойства, расходясь в разные стороны. Отдельный квант, который, казалось бы, является частицей, проходя через щель, тоже ведёт себя как волна. Однако поскольку он представляет собой отдельную частицу, он случайным, непредсказуемым образом направляется в какую-либо сторону. Источник: wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Когда мы говорим, что одна частица ведёт себя как волна, мы имеем в виду, что у неё как у волны распределяется вероятность того, как она будет действовать. То есть, проходя через две щели, одна частица, даже если мы не направляли её в какую-то конкретную щель, а направляли просто в эту сторону, она могла пройти как через одну щель, так и через другую. Выбирала она это совершенно самостоятельно, буквально, как хотела сама.

После того как она пролетала через щели, она попадала не на экран, расположенный за отверстиями, а опять следовала произвольно. То есть она распределялась во все стороны. При этом в какие-то она попадала чаще, а в какие-то — реже. Иными словами, если мы будем запускать частицы одну за одной, то они сами выберут направление своего движения.

И нормальных учёных, которые привыкли, что есть причина, есть следствие, есть взаимосвязь, это просто сводило с ума. Они не понимали, что вообще происходит, почему одна частица сама для себя каким-то образом решает, куда ей пойти.

Эффект наблюдателя

Тогда ещё появилась такая вещь, как эффект наблюдателя. Так, если поставить в одну из щелей детектор, который будет понимать, что вот прошла частица, то он бы передавал эту информацию: «Всё, мы частицы. Ты нас искал — мы частицы. Ты нас хотел поймать как частицы — ты поймал нас как частицы, и мы останемся ими дальше». Поэтому летели они, не распределяясь, повсюду, и даже какие-то места игнорируя, а попадали ровно за той щелью, в которую их человек запускал.

То есть, как только, условно, приходит ученый и говорит: «Вот я отправлю тебя сюда. Вот я детектором нашёл, что ты здесь была», — частица говорит: «Да, я здесь была», — и летит себе дальше. Раз её искали как частицу, то её и находили как частицу. Это сводило всех физиков с ума. Поскольку, если её не искать как частицу, то она будет вести себя так, как придётся. А именно: взаимодействовать с окружающим миром как частица, но лететь и выбирать направление как волна — в то место, в которое ей нравится.

Что общего у света и материи

Но ладно бы ещё свет — к нему все привыкли. Но ведь и есть какие-то привычные нам части материи, например, кусочек шоколада. Можно пустить его как пулю, и он будет лететь вперёд. И все понимали, что вот – есть шоколад, та вещь, которую можно потрогать, понюхать, как-то взаимодействовать с ней, а есть свет — непонятно что, летящее невероятно быстро и представляющее из себя нечто особенное.

Так вот к такой природе света, что они волна, и частица, люди более-менее привыкли. Однако физики заметили, что также ведёт себя и то, что они привыкли воспринимать как частицы материи. То есть совершенно предательски вёл себя, например, электрон, когда его запускали через те же самые щели. Он тоже говорил: «Вот, смотри, я как фотон. Мы из одного мира. Мы действуем одинаково». Хотя ученые совершенно точно знали, что у электрона есть масса, которую можно измерить, а еще знали, что электрон как-то связан с электричеством. То есть это вполне себе нормальный объект из привычного мира, но, когда забираешься глубже, на квантовый уровень, когда смотришь на него поближе, электрон опять ведёт себя совершенно предательски, не желая быть чем-то привычным для физиков.

И тогда у всех изрядно болели головы из-за попыток это объяснить. Кто-то сдавался, говорил, что всё это бред, что это нельзя описывать, что мы туда не пойдём, а будем жить в привычном нам физическом мире, а в ваши квантовые дебри лезть не будем. Кто-то пытался с этим работать. И таких смельчаков даже признавали в науке, хотя работать с непонятно чем было непонятно как. И это было, пожалуй, одно из самых безумных времён во всей истории физики. Тогда рушилось просто всё. Люди не знали, как начать работать, в какую сторону двигаться, как со всем тем, что они нашли, взаимодействовать. Тогда начинали разрабатываться различные математические аппараты и появлялись различные взгляды на квантовые явления.

«Заткнись и считай!»

Фото столкновения в ускорителе частиц.

Компьютерная симуляция столкновения в ускорителе частиц. На основании траекторий остаточных частиц, их скоростей и энергий учёные получают данные о внутреннем составе сталкиваемых частиц. Lucas Taylor / CERN / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

В то же время продолжалось активное экспериментальное исследование, поскольку наблюдать эти явления люди все-таки могли. Но на самом деле ученые-физики видели какой-то кошмар, а потому этот кошмар показывали всем и пытались всё это объяснить. Например, так появилась волновая гипотеза де Бройля, согласно которой обычной частице можно сопоставить волну, и рассматривать её как условную волну. Но она не волна, а «как бы» волна. Таковой была одна из попыток объяснить эту пугающую неразбериху.

А сейчас это то, чем мы в физике активно пользуемся. Мы в квантовой механике говорим, что это работает. Но если тогда считалось, что это «как бы» волна, то сейчас мы понимаем, что всё это можно называть и волнами, и частицами, и вообще по-всякому. И справедливо это не с пренебрежительным оттенком, а справедливо совершенно точно. Но в то же время нельзя говорить, что это волна или частица, или еще что-то определённое. Мы просто говорим, что это квантовый объект. Весь этот кошмар свойств, присущий квантовым объектам, содержится в этом определении — это просто квантовый объект. Он ни волна, ни частица, и волна, и частица, и всё это сразу, и точно — ничего из этого. Да, всё получается очень сложно.

В квантовой механике, квантовой электродинамике и других областях, где изучают кванты, в 50-х, кажется, годах даже появилась замечательная присказка: «Заткнись и считай!» Когда люди научились использовать какие-то матрицы и строить какие-то уравнения, которым поведение квантовых объектов удовлетворяло, тогда возникала какая-то странная математика. Почему-то при описании вполне себе обычных частиц, для которых до этого в привычной (классической) физике создавалось уравнение, и всё было хорошо, теперь уравнение делали матричным. Оно получалось сложным, поэтому пришлось вводить какие-то новые операторы. Люди просто хватались за головы и не знали, что делать.

«Социология» квантов

Но в итоге получилось так, что если я беру математическое непонятно что и произвожу некие действия, то у меня всё получается. Более того, я могу сказать, что в результате с квантовым объектом получается вот это, вот это и вот это. По такому же принципу научились работать с вероятностями, с матрицами. У всех голова взрывалась оттого, что приходилось вводить какой-то новый математический аппарат, с которым почти никто не знал, как работать.

Были единичные специалисты, которые понимали, а остальные просто смотрели на них как на чудо света. Кто-то признавал, говорил: «Вот вы там молодцы. Вы делаете что-то невероятное. Я такое не могу, а вы можете», а кто-то говорил: «Я так не могу. Вы творите что-то непонятное. И, в общем, вы не правы, а я пошёл к себе».

В итоге физики все-таки научились описывать квантовые объекты. Ведь чтобы понять, что это, нужно сравнить квантовые объекты с тем, что привычно нашему миру. А поскольку нет ничего, с чем можно сравнить наш мир и квантовый, люди бросили эти попытки, загнать кванты в рамки классической физики, и просто поняли, что можно взаимодействовать, при этом не пытаясь как-то это определить их, связать с нашим миром.

Получилось так, что квантовый мир — это действительно отдельный мир, который живёт вместе с нашим, но влияет на него очень опосредованно. То есть то, что мы видим вокруг нас — это усреднение, как общая статистика. Подобно тому, как в социологии отдельные люди исчезают в общей массе, и появляется только статистика. Человек перестаёт быть человеком и становится частью группы, и для группы найти какие-то закономерности гораздо проще, чем разобраться, что происходит с отдельным человеком.

Вот и квантовая физика решила уйти от описаний, типа «вот эта частица поскакала туда», и попыток разобраться, что там происходит «в голове» у отдельной частицы. Потому что как раз с этого и начались все сложности. А это не так-то просто — попытаться продолжить аналогию с социологией и психологией, работой одной головы объяснить какие-то принципы взаимодействия разных сознаний, и вывести какие-то закономерности, которые позволили бы перейти от одного человека ко всему человечеству.

И вот это более-менее получилось с квантами. Прямо как в социологии — можно найти какие-то общие закономерности и сильно не вникать, что там происходит в отдельном сознании. Физики не интересуются, почему так, почему конкретная частица ведёт себя тем или иным образом. Они просто видят, что они ведут себя так-то и так-то. Иными словами, физики научились принимать то, что они видят, и описывать это. Ну и как-то работать дальше.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

0 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться