Зачем совать кота в коробку: к 100-летию квантовой механики
Для начала анекдот.
Полицейский останавливает Шрёдингера:
— У вас есть разрешение перевозить Эйнштейна в багажнике?
— Офицер, сейчас важнее, живой он или мёртвый
— Откройте багажник!
— Ну всё, теперь точно штраф
С вашего позволения сочинил эту байку для иллюстрации самого известного парадокса квантовой механики. Никакого прикладного значения этот парадокс не имеет: всего лишь упрощённая иллюстрация одного из законов невидимого мира.
Причём, во-первых, квантовый мир невидим в прямом смысле. Никакие технологии и микроскопы не позволяют и никогда не позволят лицезреть, что же там на самом деле происходит.
Смыслом явления «видеть» является способность воспринимать объекты с помощью света, который отражается от этих объектов и попадает в наши глаза. Пусть даже сквозь самые мощные увеличительные приборы. То есть видение привязано к микроскопической длине световой волны.
Размеры атома меньше длины световой волны в 2000 раз — то есть само понятие «разглядеть атом» никак не применимо в нашей Вселенной.
Во-вторых, теперь вы лично знакомы хотя бы с одним автором анекдота, пусть и не очень смешного. Потому что все смешные анекдоты сочиняют в ЦРУ.
Ну и в-третьих, квантовая механика (якобы?) позволяет понять, почему весь мир существует именно таким, каким является. В любых размерах: от предела, стремящегося к нулю, до предела, стремящегося к бесконечности. И на самом микроскопическом (хотя мы теперь понимаем, что даже микроскопичность чересчур огромна для субатомного мира) — и на самом гигантском уровне. Скопление галактик, границы безграничной Вселенной — всё подчинено квантовым законам.
По крайней мере так утверждают их сторонники.
И вот парадокс, о котором почему-то не принято говорить в среде адептов: квантовая механика не объясняет механизм собственной работы. И, возможно, никогда не объяснит. Хотя уверяет нас, что действует безупречно — строго по законам, которые при этом совершенно нелогичны.
Так что же такое квантовая механика — научный прорыв или афера тысячелетия?
Классическую, человеческую физику мы видим постоянно и повсюду. Её законы определены, однозначны и всегда работают. Иначе мы бы не могли строить мосты, чинить карбюраторы и надувать резиновых женщин.
Никакой тебе неопределённости или суперпозиции. Уронил молоток — он упадёт вниз, на ногу. Не вверх, не в сторону и не зависнет в воздухе. Всё, что написано в школьных учебниках, выполняется ровно так, как там написано.
Согласитесь: как хорошо, что при строительстве железных дорог действует старая добрая евклидова геометрия, где параллельные прямые не пересекаются. А не геометрия Лобачевского, в которой могут встретиться, и неизвестно, чем это закончится для поезда.
А вот с квантовой механикой всё немного иначе. Вернее, с точностью до наоборот. Ни доказать, ни опровергнуть, ни повторить наглядно.
Учёные уверяют, что их теории действительно подтверждается: адронным коллайдером, сверхмощными телескопами и прочими дорогостоящими прибамбасами.
То есть исключительно способами, не подлежащими проверке на лабораторной работе в школьном кабинете физики.
Ну что ж, попробуем немного разобраться. Для начала с пресловутым котом.
Это хедлайнер квантовой механики — парадокс Шрёдингера, придуманный Эрвином Шрёдингером, австрийским физиком и одним из отцов-основателей всего этого движа.
Коротко: есть закрытый ящик (надеемся, с отверстиями), а внутри — кот и хитроумное устройство.
В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один.
Если распадается — счётчик срабатывает, через примотанное синей изолентой реле включает молоточек, который разбивает колбу с синильной кислотой. Кошка сдохла, хвост облез.
Если атом не распадается — кошка жива-здорова, мурчит.
Суть парадокса: через час после начала эксперимента, до открытия коробки, кот находится в суперпозиции состояний — одновременно жив и мёртв.
Только акт наблюдения (то есть открытие коробки) заставляет систему «выбрать» одно из двух состояний.
Как только крышка приоткрыта — происходит коллапс волновой функции. Мы получаем конкретный результат: кот либо жив, либо мёртв. Всё, с волшебством покончено.
Согласитесь, громоздкое объяснение элементарного факта: пока мы не знаем, какое из двух равновероятных событий произошло, мы допускаем и то, и другое.
Честно говоря, возникают сомнения не только в гениальности Шрёдингера, но и в его адекватности.
А уж интерпретации этого парадокса — многомировая версия Эверетта, теория Вигнера и прочая метафизическая муть — и вовсе звучат как пустопорожняя галиматья, не имеющая отношения ни к физике, ни к здравому смыслу.
Получается, человечество блуждало в потёмках. И лишь с 1925 года вдруг выяснилось: в деревенском сортире может быть и занято, и свободно, а чтобы проверить, надо дёрнуть дверцу.
Когда по дороге на школьную дискотеку я гадал, пришла ли Ленка из 9-Б, мне и невдомёк было, что объект моих воздыханий находится в состоянии суперпозиции.
А если бы я знал, что при входе в спортзал (а где же ещё бывают школьные танцы) вот-вот произойдёт коллапс волновой функции — у меня самого случился бы коллапс от волнения.
Возможно, какой-нибудь Левша высечет на срезе макового зёрнышка портреты отцов-основателей квантовой механики. Как на горе Рашмор, только, разумеется, в микро-варианте.
Ой, что это я... Конечно, афера тысячелетия - это ваучерная приватизация. Квантовая механика так, баловство.
Теперь по порядку: что, где и когда.
Немецкий физик Макс Планк открыл квантование энергии, с чего началась революция. К счастью, не цветная, а квантовая.
Датчанин Нильс Бор создал атомную модель, которая стала основой теории.
Австрийский учёный (ладно, оставлю слово «учёный») Эрвин Шрёдингер предложил уравнение для описания квантовых систем.
Ещё один немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал принцип неопределённости, который стал краеугольным камнем квантовой механики.
Почему в этом году столетний юбилей?
Днём рождения этого безобразия считается 7 июля 1925 года, когда Гейзенберг закончил работу, положившую начало современной квантовой механике — так называемой матричной механике, которая стала первой строгой формулировкой квантовой теории.
Хотя отдельные квантовые идеи (Планка, Эйнштейна, Бора), противоречащие классическим представлениям, возникали и раньше, благодаря Гейзенбергу появилась цельная, математически обоснованная концепция, заменившая классическую механику на атомном уровне.
Что такое квант?
Это минимальная неделимая порция физической величины, например, энергии или импульса. Впервые это понятие ввёл Макс Планк в 1900 году, когда показал, что излучение энергии происходит не непрерывно, а дискретно — порциями, называемыми квантами. Не путать с кварками, а тем более со шкварками.
Что такое квантовая механика?
Это раздел физики, изучающий поведение материи и энергии на уровне атомов и субатомных частиц. В отличие от классической физики, основанной на представлениях о непрерывности и предсказуемости, квантовая механика оперирует вероятностями, дискретными состояниями и фундаментальными ограничениями на наши знания.
Само название не совсем верное — скорее традиционное. Теория охватывает не только механику (движение частиц), но и взаимодействия, поля и измерения, то есть она гораздо более многогранна.
Квантовая теория открывает перед нами не только таинственные глубины микромира, но и такие феномены, как путешествия во времени и перемещения между параллельными вселенными. Она не просто описывает мир — она открывает нам двери в неизведанное, где границы привычной реальности становятся размытыми.
P. S.
В тексте статьи много тонкого юмора. Одновременно он отсутствует вовсе — всё зависит от читателя. Это и есть квантовая суперпозиция.
Р. P. S.
А что такое квантовая запутанность и тоннельный эффект, в чём магия квантовой теории и за что её не любил Эйнштейн — разберёмся во второй части. Если текст наберёт тысячу лайков. Осталось немного: в квантовом, разумеется, смысле.