Квантовая механика – это раздел физики, описывающий поведение частиц: атомов, электронов, фотонов и всего остального в молекулярном пространстве. В массах она наиболее известна тем, что ее никто не понимает, а ее выводы часто выглядят странно и противоречат не только классической физике, но и самой логике.
Чем квантовая механика отличается от классической физики?
Многие уравнения классической механики в субатомных масштабах попросту перестают работать. Они хорошо описывают способы взаимодействия вещей привычных нам размеров и скоростей, но не могут сказать, как то же самое делают частицы.
Дело не только в размерах, но и в том, что в классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. В квантовой же физике они существуют в «вероятности». То есть у каждого объекта есть шанс оказаться в точке А и такой же шанс оказаться в точке Б в каждый момент времени. Это касается не только положения в пространстве, но и текущего статуса частицы и других ее свойств.
Как была создана квантовая механика?
Согласно исследованиям Сент-Эндрюсского университета в Шотландии, квантовая механика развивалась не одного десятилетие, и началось все с довольно противоречивых попыток математически объяснить результаты экспериментов, которые не поддавались уравнениям классической физике. Все началось в прошлом веке, когда Альберт Эйнштейн представил миру свою теорию относительности, совершившую революцию в физике. С ее помощью ученый описал движение объектов на высоких скоростях, и мы до сих пор используем ее в качестве эталона для классической физики.
Но в отличие от теории относительности, квантовая механика была создана не одним конкретным человеком. Сразу несколько ученых начали интересоваться этой темой и внесли свой вклад в ее развитие в первой половине двадцатого века.
В 1900 году известный немецкий физик Макс Планк попытался объяснить, почему объекты при определенных температурах начинают светиться конкретным цветом. Например, нить накаливания лампочки при 800 градусов по Цельсию становится красной. Физик понял, что объяснить связь между температурой и цветом свечения можно с помощью уравнений другого ученого, Людвига Больцмана, который использовал их для описания поведения газов. Проблема заключалась лишь в том, что работа Больцмана основывалась на одном факте: газ состоит из мелких частиц. Это означало лишь одно – свет тоже должен состоять из частиц.
Данная идея полностью противоречила всему, что было известно о свете на тот момент. Тогда большая часть физиков считала, что свет – это непрерывная волна, а не поток крошечных частиц. Сам Планк тоже не особо верил в эту идею, но его концепция все же получила свое развитие, когда на нее обратил внимание Эйнштейн.
В своей научной статье «Об эвристической точке зрения на излучение и трансформацию света» он описал свет, как «кванты энергии», а не волну. Он предположил, что несмотря на квантовую составляющую, свет может генерироваться и поглощаться лишь как единое непрерывное целое, особенно, когда атомы «прыгают» между квантовыми частотами колебаний. Можно сказать, что такое явление, как квантовая механика, началось именно отсюда. По крайней мере его название.
С помощью этого нового способа объяснения света Эйнштейн хотел описать появление девяти явлений, включая конкретные цвета, которые, согласно Планку, излучаются нитью накаливания лампочки при определенной температуре. Это также могло объяснить фотоэлектрический эффект – явление, при котором конкретные цвета света выбрасывают электроны с металлических поверхностей.
Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
Дальнейшие исследования и эксперименты ученых пришли к весьма противоречивым на первый взгляд выводам: в квантовой механике частицы могут вести себя не только как частицы, но и как волны. Нагляднее всего это показывает эксперимент со светом, проходящим через две прорези в доске, за которой расположен экран. Если электроны, попадающие на него, вели бы себя исключительно как частицы, они бы образовывали две яркие линии в обеих прорезях.
Но в реальности на экране происходит интерференционная картина, создающая узор из темных и ярких линий, который возможен лишь в том случае, если электроны ведут себя как волны с верхними точками (гребнями) и нижними (впадинами). Интерференция проявляется даже не только с группой, но и с одним конкретным электроном.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль, используя уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, пришел к выводу, что частицы могут проявлять свойства волн, а волны – корпускулярные, то есть характеристики частиц. За это открытие он даже получил Нобелевскую премию.
Как квантовая механика описывает атомы?
Еще один известный физик Нильс Бор в начале двадцатого века описывал структуру атомов, опираясь на некоторые положения квантовой механики. В то время ученые уже знали, что атом состоит из тяжелого и плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого летают легкие отрицательно заряженные электроны. Бор описал это как орбиты планет, вращающиеся вокруг Солнца. Главное отличие от реальной солнечной системе в модели атома Бора заключалось в том, что орбитальные расстояния электронов были фиксированными и определенными заранее. Они не менялись, но электроны могли перескакивать с одной орбиты на другую, из-за чего атом получал или отдавал определенное излучение с фиксированным количеством энергии, что отражало его квантовую природу.
Через некоторое время после заключений Бор, двое физиков, работая независимо друг от друга и используя разные математические уравнения, создали более полную модель атома, опираясь на данные Американского физического общества. Это были немецкий физик Вернер Гейзенберг, назвавший свою работу «матричной механикой», и австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер, окрестивший это «волновой механикой». Позже Шредингер показал, что оба подхода на самом деле идентичны.
Таким образом, неполная модель атома Бора была заменена на более достоверную и точную модель Гейзенберга-Шредингера, в которой поведение электронов описывается «волновой функцией» и находятся они не на орбитах, а на «орбиталях». Последние могут изменять свой размер и даже форму, в отличие от статичных орбит Бора.
В чем заключается парадокс кота Шредингера?
Все вы слышали о мысленном эксперименте с котом Шредингера и парадоксе, который он вызывает. Но на самом деле многие просто понимают его неправильно. Он был «проведен» (ни одно настоящее животное не использовалось для этого) лишь для того, чтобы подтвердить или опровергнуть опасения физиков насчет квантовой механики. Пока Бор и его последователи считали, что у частиц нет четко определенных свойств, пока на них не окажется какое-либо воздействие, в том числе наблюдение, Шредингер и Эйнштейн не могли в это поверить. Их сложно в этом винить, так как подобное утверждение противоречило всему, что на тот момент было известно о Вселенной и реальности в целом.
В 1935 году Шредингер описал мысленный эксперимент, в котором жизнь или смерть кошки (да, там была именно кошка, а не кот) зависела бы от случайного поворота квантовой частицы. При этом текущее состояние животного не было известно до тех пор, пока кто-нибудь не открыл бы коробку, в которой оно находилось. Сам Шредингер этим экспериментом надеялся показать, что идея Бора, заключающаяся в зависимости состояния объекта от вероятностной природы квантовой частицы, в реальной жизни окажется совершенно абсурдной.
Согласно понимаю Бора, пока ящик не откроется, кошка будет и живой, и мертвой одновременно, то есть находящейся сразу в двух положениях, что попросту невозможно. Таким образом, Шредингер и Эйнштейн просто посчитали, что квантовая механика неполна, и мы все еще не знаем всех необходимых переменных для решения этого уравнения. А значит в итоге эту теорию заменят той, которая не будет противоречить реальному опыту. Что произошло дальше, вы все прекрасно знаете – они оба ошиблись, а понятие Бора было ближе всех к правде, потому что нельзя объяснять положения квантовой механики с точки зрения классической физики.
Эйнштейн и Шредингер также приложили руку к еще одному странному выводу квантовой механики, который ни один из них объяснить не смог. В 1935 году Эйнштейн совместно с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном показал, что две квантовые частицы могут быть настроены таким образом, чтобы их квантовые состояния коррелировали друг с другом. Это значит, что одна частица всегда «знает» о свойствах другой. В таком случае изменение свойств одной из них тут же спровоцирует изменение другой, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.
Данное явление получило название квантовой запутанности, и до сих пор является одним из важнейших аспектов квантовой механики. Подобные эксперименты проводятся до сих пор, и расстояние между частицами постоянно увеличивались (их даже в космос запускали). Более того, данное явление даже стало частью основы новой области квантовых вычислений.
Квантовая механика и общая теория относительности несовместимы?
На сегодняшний день ученые не имеют полного объяснения поведения всех частиц и сил во Вселенной. Хотя они уже пытались вывести нечто подобное, назвав это теорией всего. Теория относительности Эйнштейна описывает вещи в макромире – большие и массивные, в то время как квантовая механика работает в микромире, практически нематериальном. Нельзя сказать, что эти две теории совсем несовместимы, просто никто не знает, можно ли их совместить и как это сделать.
Многие ученые поддерживают идею квантовой гравитации, которая описывает гравитацию с помощью квантовой механики. Эта теория могла бы действительно объединить все от субатомного мира до межзвездных масштабов, но она до сих пор не выведена. Сейчас есть лишь предположения о том, как можно совместить эти две вещи. Одно из наиболее популярных – гипотетическая частица гравитон, которая отвечает за перенос гравитации. Но по сей день она так и не была обнаружена. Еще одно популярное предположение, о котором вы наверняка слышали, – теория струн. Она гласит, что фундаментальные объекты Вселенной представляют собой крошечные нити, состоящие из нескольких измерений. Но доказать это, пожалуй, сложнее, чем все остальное, поэтому сторонников данной теории становится все меньше. Еще существуют такие предположения, как теория петлевой квантовой гравитации, которая гласит, что время и пространство состоят из дискретных ячеек, скрепленных друг с другом.
Пока неизвестно, что из этого окажется верным в итоге. Возможно, ни одно предположение даже не близко к истине, и в будущем нас ждет совершенно невероятное открытие. Сейчас мы можем лишь гадать, а как все окажется на самом деле, покажет время.
