От черных дыр до теории мультивселенной – в этой статье собрано 10 ошеломляющих фактов, которые вы должны знать о квантовой физике.
1. Квантовый мир неоднороден
Квантовый мир как обувь. Вы не можете купить один кроссовок или три, потому что никто не продаст вам обувь в таком количестве. В квантовом мире все то же самое. Точно так же, как вы можете купить обувь только определенное количество кроссовок (кратное количеству ваших ног), так же и энергия бывает только в количестве, кратном одному и тому же кванту. Само слово «квант» происходит от латинского quantum, что означает «сколько». Отсюда и происходит название всей квантовой физики.
За доказательство квантования энергии одному ученому была присуждена Нобелевская премия. Этим ученым был… Вы знаете, кто это был.
Несмотря весомый вклад Эйнштейна, настоящим крестным квантовой физики был Макс Планк, в честь которого была названа постоянная Планка. Эта постоянная и является квантом (технически – величиной энергии кванта). Он пытался понять устройство таких невероятно горячих объектов, как наше Солнце, потому что на тот момент даже самые правдоподобные теории не могли объяснить то количество энергии, которое способны выбрасывать звезды. Ученый предположил, что энергия квантуется и смог вывести полноценную теорию этого, которую в последствии доказал Эйнштейн, получив свою Нобелевскую премию.
2. Что-то может быть и волной, и частицей
Научный мир имеет в своей истории много интересных и даже забавных событий. В 1906 году ученый Джозеф Томсон получил Нобелевскую премию, доказав, что электроны – это частицы. А в 1937 году его сын Джордж Томсон получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны – это волны. Кто же из них был прав? Ну конечно же… оба. А вы думали, что квантовая физика – это так легко?
Данное явление называется корпускулярно-волновым дуализмом, что является краеугольным камнем всей этой науки в целом. Оно относится не только к электронам, но и свету. Иногда свет бывает электромагнитной волной, а иногда – частицами, называемыми фотонами.
Например, телескоп может улавливать и то, и другое: и фиксировать волны света, исходящие от далеких звезд, и собирать летящие фотоны, подобно ведру с вишенками. Это также значит, что при столкновении фотонов с объектами они оказывают на него давление, что уже используется учеными для создания космических кораблей, движущихся на солнечных парусах. Также некоторые считают, что это можно будет использовать для отвода от Земли какого-нибудь потенциально опасного астероида.
3. Объекты могут находиться в двух местах одновременно
Корпускулярно-волновой дуализм – ярчайший пример суперпозиции. Этот термин означает, что квантовые объекты могут существовать в нескольких состояниях одновременно. К примеру, электрон может быть «здесь» и «там» одновременно. Одну конкретную позицию он примет лишь тогда, когда мы захотим выяснить, где он в, в ходе эксперимента.
Поэтому квантовая физика полностью полагается на вероятности. До момента наблюдения за объектом мы можем лишь предполагать, в каком состоянии он будет находиться, когда мы на него посмотрим. При этом вероятность принятия каждого состояния своя, и все эти шансы инкапсулированы в математическую сущность под названием волновая функция. Считается, что наблюдение за объектом «коллапсирует» волновую функцию, из-за чего суперпозиция разрушается, и он принимает одно конкретное состояние.
Вы наверняка слышали о знаменитом мысленном эксперименте с котом Шредингера, который демонстрирует принцип суперпозиции на более понятных и привычных нам вещах. Поскольку эксперимент будет завершен лишь тогда, когда мы откроем коробку и посмотрим на кота, до этого момента он будет и жив, и мертв одновременно.
Подробнее о суперпозиции, этом эксперименте и том, как жить вечно в квантовом мире, вы можете узнать в нашей статье о квантовом бессмертии.
4. Она может привести нас к мультивселенной
Идея коллапса волновой функции, который приводит к так называемому квантовому «выбору», в научном сообществе известна как копенгагенская интерпретация квантовой физики. Но это не единственный вариант, что у нас есть. Также существует интерпретация «множества миров», которая утверждает, что выбора на самом деле вообще нет. Согласно этой теории, вместо принятия определенного состояния объектом Вселенная создает копию самой себя. Таким образом, в одной реальности объект принимает состояние А, а в другой – Б. Это позволяет не отвечать на сложный вопрос о том, нужен ли наблюдатель для того, чтобы квантовый объект сделал свой выбор, и кто вообще может считаться наблюдателем: человек, кошка, собака, робот?
Вместо поиска ответов на эти вопросы теория просто говорит, что каждый квантовый «выбор» на самом деле просто порождает новую реальность, принимая в ней одно состояние, а в текущей – другое.
5. Она помогает нам охарактеризовать звезды
Датский физик Нильс Бор доказал, что квантованию подвержены даже орбиты электронов в атомах. Они имеют заранее определенный размер, который называется энергетическим уровнем. Падая с высокого энергетического уровня на более низкий, электрон испускает фотон с энергией, равной разнице между ними. Аналогичным образом происходит и увеличение ступени, но во время этого процесса электрон поглощает фотон и использует его энергию, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.
Этот эффект активно используется в астрономии. Мы можем узнать состав звезды благодаря разбиванию света от нее на радужный спектр, показывающий, каких цветов не хватает. Так как у разных химических элементов разное расстояние между энергетическими уровнями, мы можем сказать, из чего состоит Солнце и другие звезды.
6. Без нее Солнце бы не светило
Солнечная энергия вырабатывается в процессе ядерного синтеза. В нем принимают участие два слипшихся протона (частицы с положительным зарядом). Несмотря на то, что они слипшиеся, одинаковый заряд заставляет их отталкиваться друг от друга. Это явление называется кулоновским барьером, который и правда напоминает нечто вроде стены между двумя частицами.
Если протоны ведут себя как частицы, то они просто будут сталкиваться с этой стеной и расходиться далеко друг от друга. Тогда не будет никакого ядерного синтеза и, следовательно, никакого света от Солнца. Но стоит нам представить протоны в качестве волн, ситуация изменится в корне. Когда гребень волны достигнет барьера, ее передняя кромка уже пробьется за него. По высоте волны даже можно определить, где в данный момент, скорее всего, находится протон. Вероятность того, что он окажется на передней кромке, мала, но иногда это все-таки происходит. Это означает, что протон пробивает кулоновский барьер, что и вызывает ядерный синтез. В физике этот эффект называется квантовым туннелированием.
7. Она тормозит разрушение мертвых звезд
Когда-нибудь ядерный синтез на Солнце закончится, и наше небесное светило погибнет. В конце концов гравитация возьмет верх, и звезда начнет сжиматься. Чем меньше она будет, тем больше материала начнет сбиваться вместе, увеличивая ее плотность. И вот тогда в игру вступит квантовая физика, а точнее одно из ее правил – принцип запрета Паули. Согласно ему, некоторым частицам «запрещено» существовать в одном и том же квантовом состоянии. Если гравитация попытается склонить их к этому, они окажут сопротивление, называемое давлением вырождения. Тогда коллапс прекратится, что приведет к формированию нового небесного тела (размерами примерно, как Земля) – белого карлика.
Но давление вырождения тоже не может быть вечно. Рано или поздно оно иссякнет, и если белый карлик в это время будет расти и приблизится к массе около 1,4 солнечной, то запустится новая волна синтеза, которая буквально разорвет его на части. Это называется взрывом сверхновой, и он настолько яркий, что может затмить свет всей галактики. Если же умирающая звезда продолжит сжиматься, то в конце концов ее плотность станет настолько большой, что она превратится в черную дыру. Кстати, квантовая физика причастна и к ним…
8. Она заставляет черные дыры испаряться
В этот раз нам нужно обратиться к новому правилу квантовой физики – принципу неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что невозможно полностью знать два свойства системы одновременно. Чем больше вы знаете об одном, тем меньше – о другом. Например, больше информации о текущем положении означает меньше об импульсе.
Это чем-то напоминает получение кредита. Вы можете занять много денег на короткий срок или немного, но отдавать их дольше. То же самое касается так называемых виртуальных частиц. Если они «потребляют» достаточно энергии, то пара частиц может появиться на мгновение, а затем сразу исчезнуть, чтобы не отдавать свой энергетический кредит назад.
Стивен Хокинг представлял этот процесс, происходящий на границе черной дыры. Она поглощает лишь одну частицу из пары, в то время как вторая улетает. С течением времени дыра не может вернуть всю энергию, которую «занимала», поэтому начинает медленно испаряться.
9. Она объясняет крупномасштабную структуру Вселенной
Лучшая на данный момент теория возникновения Вселенной – это Большой взрыв. Однако в восьмидесятых годах прошлого века она была слегка дополнена включением новой теории – инфляции. За одну триллионную триллионной от триллионной доли секунды (ноль, запятая, много-много нулей и скромная единичка в конце) Вселенная увеличилась в размерах от «меньше атома» до «примерно, как большой апельсин». В точных цифрах это в 1078 раз больше (огромная единица в начале и 78 нулей после нее). Для сравнения: если бы эритроцит (клетка крови), имеющий диаметр около 7 мкм, увеличился бы в такое же количество раз, он был бы больше, чем вся видимая Вселенная.
Так как изначально Вселенная уступала своими размерами даже атому, то в ней преобладали квантовые процессы, которые были связаны с принципом неопределенности Гейзенберга. Именно инфляция заставила Вселенную почти мгновенно увеличиться в размерах, пока все эти процессы не исчезли. Можно сказать, что эти квантовые флуктуации действовали как семена, быстро накапливая вокруг себя материю, которая впоследствии сформировала галактики, звезды, планеты и нас с вами.
10. Квантовая физика – это нечто большее, чем просто «жутко»
Эйнштейн также высказывался насчет существования еще одного эффекта, который он называл «призрачным действием на расстоянии». Сегодня этот эффект уже доказан, и мы знаем его как квантовую запутанность. И хотя нам известно, что она существует, все еще непонятно, как и почему.
Запутанность заключается в том, что в паре связанных частиц одна всегда находится в состоянии А, другая – в Б. Согласно принципу запрета Паули, они не могут пребывать в одном и том же состоянии одновременно. Поэтому если вторая вдруг примет состояние А, первая тут же перейдет в состояние Б, чтобы компенсировать это.
А теперь самое интересное: данное явление происходит на ЛЮБОМ расстоянии между частицами. То есть, если мы разведем две запутанные частицы на разные концы Вселенной и заставим одну принять состояние А, вторая тут же станет Б. Это будет означать, что информация между запутанными частицами будет передаваться быстрее, чем на скорости света. А двигаться быстрее скорости света, согласно Эйнштейну, невозможно. Данный эффект также был назван квантовой телепортацией.
