Категорії
Різне

Магія квантової фізики

В загальному сенсі в основі фізики лежить експериментальне дослідження природних явищ. Тобто фізика — це наука, що вивчає закони природи. На більш глибинному рівні квантова механіка (від квант – неподільна частка енергії), будучи розділом теоретичної фізики, описує фізичні явища, в яких дію порівнюють за величиною з постійною Планка (коефіцієнт, що зв’язує величину енергії кванта електромагнітного випромінювання з його частотою).

Як ми всі знаємо, все, що нас оточує, складається з атомів. Такий собі ансамбль з атомів, які зародилися в ядрах наднових зірок. До того ж і пророцтва квантової механіки можуть істотно відрізнятися від прогнозів класичної механіки. І сьогодні ця область фізики залишається ще дещо складною, тому навіть деякі вчені визнають, що погано її розуміють. З огляду на зростаючу кількість питань, на яких ще немає відповідей, і якусь схожість квантової фізики з магією, вона є неймовірно привабливою, але може й ввести в оману, чим успішно практикують деякі шарлатани і псевдовчені. Тому спробуємо зрозуміти, що таке квантова фізика і чому вона так схожа на диво.

Advertisements

Фотон – це елементарна частинка, яка не має маси і може існувати у вакуумі, пересуваючись зі швидкістю світла. Електричний заряд фотона також дорівнює нулю.

Чому квантова фізика така незрозуміла? Наприклад, дехто захоплюється грою в наперстки – азартна гра, що зазвичай буває одним із видів шахрайства. Розрахована вона на шукачів гострих відчуттів. Самі шахраї називають цю гру «маяком» через функцію подавати сигнал. Наперсточник для реклами починає гру з підставними гравцями, демонстративно ховаючи кульку під одним з трьох ковпачків. Як тільки в гру вступає випадковий перехожий, який вірить у свою власну спостережливість, кулька шляхом маніпуляцій наперсточника відразу зникає з-під наперстків. Щоб це було непомітним, підставні гравці різноманітними діями намагаються відвернути увагу жертви саме в той момент, коли наперсточник перевертає ковпачок.

В квантових системах, де властивості об’єкта, включаючи його місце розташування, можуть варіюватися в залежності від спостереження, такі дії можливі і без спритності рук. За квантовою теорією, в що складно повірити, елементарна частинка лише в момент спостереження знаходиться у певному стані, але вченим вдалося експериментально довести, використовуючи один-єдиний фотон, що він існує в трьох місцях одночасно.

Як таке можливо? Один з найзнаменитіших квантових експериментів – це експеримент з двома щілинами, в якому світло і матерія можуть вести себе як частинка і хвиля одночасно – інтерференційний дослід Юнга на подвійних щілинах для спостереження явища інтерференції когерентних світлових хвиль. Цей експеримент зіграв головну роль в прийнятті хвильової теорії світла.

В базовій версії цього досліду джерело когерентного світла (лазерний промінь) освітлює пластину з двома паралельними щілинами. Світло, що проходить через щілини, бачать на екрані за пластиною. Хвильова природа світла, що проходить через ці дві щілини, викликає інтерференцію (взаємне збільшення або зменшення результативної амплітуди когерентних хвиль при накладенні) світлових хвиль. В результаті утворюються яскраві і темні смуги на екрані – результат, якого не повинно було б бути, якби світло складалося з класичних частинок. Під час досліду завжди виявляється, що світло поглинається на екрані в окремих точках у вигляді окремих частинок (не хвиль), а інтерференційна картина виникає в результаті змінювання щільності попадання цих частинок на екран. У версіях досліду, коли в щілинах включають детектори, кожен виявлений фотон проходить тільки через одну щілину (як класична частинка), а не через обидві щілини (як хвиля). Такі досліди доводять, що частинки, якщо спостерігати за ними, через яку саме вони щілину проходять, не утворюють інтерференційної картини. Результати демонструють принцип корпускулярно-хвильового дуалізму.

Необхідно відзначити, що успіхами квантової механіки, за допомогою якої можна точно описати поведінку атомів і елементарних частинок, цікавився і Альберт Ейнштейн. Однак геніальний вчений виступав проти цієї теорії і висміював поняття, що лежить в її основі – заплутаність. В квантовій механіці заплутаність означає, що властивості однієї частинки можуть негайно впливати на властивості іншої, незалежно від відстані між ними.

Квантова заплутаність – це явище, при якому квантові стани двох або більше об’єктів, навіть якщо вони рознесені в просторі, виявляються взаємозалежними. Внаслідок чого між спостережуваними фізичними властивостями об’єктів можуть бути кореляції (взаємозалежність між випадковими величинами – при зміні значення однієї змінної відбувається закономірна, зменшення або збільшення, зміна іншої змінної).

Згодом серія ретельно розроблених експериментів показала, що Ейнштейн помилявся – заплутаність реальна і ніякі інші теорії не можуть пояснити її дивні ефекти. І все ж, незважаючи на здатність квантової теорії пояснювати результати експериментальним шляхом, багато вчених визнають, що квантова фізика ще залишається досить складною для пізнання.

Однак заплутаність – це не єдине явище, яке відокремлює квантову теорію від класичної. На думку деяких фізиків, є ще один шокуючий факт про квантову реальність, який часто не беруть до уваги і який додає чарівництва в цю галузь теоретичної фізики. Як пише видання The New Scientist, У 1967 році Саймон Коченов і Ернст Спекер математично довели, що навіть для одного квантового об’єкта, де заплутаність неможлива, значення, які отримують при вимірюванні його властивостей, залежать від ситуації, в якій цей об’єкт знаходиться. Тобто цінність властивості A залежить від того, вирішили ви виміряти її за допомогою властивості B або за допомогою властивості C (простими словами, не існує реальності, незалежної від вибору вимірювання).

Погодьтеся, все це як мінімум є дивним, адже виходить, що присутність спостерігача визначає долю системи і змушує її зробити вибір на користь одного зі станів. Але хіба це не втручання свідомості в матеріальну реальність? А якщо врахувати, що фотон світла може одночасно бути і часткою і хвилею і перебувати відразу в трьох місцях, то в якому світі ми взагалі живемо? Чи не є це доказом існування паралельних реальностей з однаковими законами фізики? Тому квантову фізику, ймовірно, можна вписати практично в будь-яку вигадану історію. І це лише частина питань, на які у сучасної фізики поки що немає відповідей.

Все невідоме здавна лякало людину. І досить часто навіть сучасна людина може повірити у що завгодно, була б лише одна (і вже не важливо яка) хоча б відповідь. З цієї причини зовсім не дивно, чому всякого роду шарлатани і псевдовчені так люблять квантову фізику. Якщо заради інтересу подивитись канали нашого телебачення, то можна наштовхнутися не на одну з передач про потойбічний світ, в якій в ролі експерта виступає черговий псевдовчений. У 99 випадках із 100 його помилкове пояснення світоустрою включатиме в себе хоча б одну згадку з квантової фізики. При цьому будь-який такий псевдовчений жваво хизується такими науковими термінами як електрон, фотон і заплутаність, щоб в очах недосвідченого глядача мати більш-менш пристойний вигляд. Іноді навіть здається, що будь-який поважаючий себе шарлатан просто вважає за потрібне мати в своєму репертуарі спіч про таємниці квантової фізики, адже сьогодні практично нічим заперечити твердження, що квантова механіка є загадкою для вчених. Результатом популяризації таких ідей може бути й неправильне уявлення про світ для великої кількості людей. Подібні ідеї також сприяють схильності до альтернативної медицини і лікування небезпечних захворювань накладенням рук. Так з екранів телевізорів іноді з піною біля рота доводять, що думка матеріальна бо квантова фізика ось, а доморощені біологи приплітають квантову фізику в свої необґрунтовані ідеї про хвильовий геном і т.д. Все це сприяє розвитку до зростання міфів і помилок про світ, в якому ми живемо.

Магія квантової фізики
Кіт Шредінгера – уявний експеримент, запропонований австрійським фізиком-теоретиком Ервіном Шредінгером, яким він хотів показати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до макроскопічних.

Що таке квантова фізика простими словами? Відповідно до теорії Едвіна Шредінгера, кіт в коробці може бути і живий і мертвий одночасно. Чи можна його врятувати, не заглядаючи в ящик?

Тим часом, квантова фізика – це справжнісінька магія. І на багато питань, які породжує квантова заплутаність і результати численних експериментів (в тому числі і уявний експеримент з котом Шредінгера), ми ще не маємо чітких відповідей. При цьому реальність набагато цікавіше вигадок. І наш Всесвіт на 95% утворений з таємничої темної матерії. А ще є темна енергія, яка несе відповідальність за прискорення розширення Всесвіту. На самому ж глибинному рівні наш світ складається з найдрібніших частинок, які можуть перебувати в кількох місцях одночасно і поводяться по-різному в залежності від того, спостерігаємо ми за ними чи ні. Якщо це не магія реальності, то що є реальністю?

Advertisements