Kitabı oxu: «Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком»
© Катрина Арье, текст, 2024
© Виктория Бортник, иллюстрация на обложку, 2024
© Мария Высочкина, иллюстрации, 2024
© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024
Квантовая физика – это удивительная и таинственная наука. Всё, что связано с микромиром, кажется нам очень сложным. Микромир не поддаётся привычной логике. Как рассказать о нём понятным для всех языком? Как понять смысл законов квантовой физики, не используя формул? Перед вами, читатель, такая книга. Это живой, увлекательный рассказ об основах нашего мира. Книга наполнена забавными историями из жизни физиков, научным юмором и наглядными примерами, показывающими, как законы квантовой теории можно применять в обычной жизни. После её прочтения вы можете поменять свои представления о реальности.
Доктор психологических наук /D.S. (psychology)
Доктор экономических наук /D.S. (economics)
Профессор, PhD
Учёный секретарь «Академии социальных технологий» РФ
Алексей Ситников
Благодарности
Выражаю искреннюю благодарность
студентам моей школы квантовой физики, вы для меня неиссякаемый источник вдохновения, новых идей и гордости за ваши результаты;
моей семье, ваша любовь и вера в меня бесценны: вы все истинные соавторы моей книги.
И особая признательность моим кошкам, ваше мурлыканье на моих коленях сделало написание книги таким лёгким, радостным и уютным!
Введение
Для чего не-физику нужна квантовая физика
Физика – как секс: может не давать практических результатов, но это не повод ею не заниматься.
Ричард Фейнман, один из создателей квантовой теории
«Ей надо рассказывать о квантовой депиляции и делать курсы о квантовом воспитании детей, а не говорить о квантовой физике», – писала обо мне в соцсетях известная коуч, квантовый психолог. И я задумалась. Ведь и в самом деле мой карьерный путь не похож на традиционный для учёного.
Вначале всё казалось предопределённым – буду заниматься всю жизнь только физикой. Я родилась в Москве, вся моя семья – физики и математики. Мои первые воспоминания – о том, как дедушка рассказывает мне об образовании Вселенной (да, детские сказки мне почти не читали). Я училась в лучшей физико-математической школе Москвы (Вторая школа) и легко поступила на физический факультет МГУ. Выбрала быть физиком-ядерщиком, специализировалась на квантовой физике. Окончила университет с красным дипломом и работала на ускорителях высоких энергий. И затем всё поменялось.
Квантовая физика – это самый сложный для понимания раздел физики. Это серьёзная наука, теоретическая основа ядерной физики. Наука, которая изучает устройство и поведение атомов, взаимодействие элементарных частиц. Благодаря открытиям в квантовой физике у нас есть атомные электростанции, лазеры, МРТ, мобильные телефоны и даже тостеры. Но не только это. Именно квантовая теория, парадоксальная и неоднозначная, заставляет учёных и философов думать об устройстве Вселенной, о влиянии сознания наблюдателя на реальность. Изучая квантовую теорию, вы обязательно встретитесь не только с физическими, но и с философскими и психологическими понятиями.
Квантовая физика меняет классические представления о реальности и до сих пор во многом остаётся непонятной для большинства.
Один из отцов-основателей квантовой физики Нильс Бор сказал: «Тот, кто не был потрясён при первом знакомстве с квантовой теорией, очевидно, просто ничего не понял».
И надо сказать, именно философская часть в квантовой физике меня интересовала больше всего. Ещё студенткой я увлечённо делилась своими мыслями со всеми окружающими, но меня мало кто понимал. Сейчас думаю, что это была профессиональная деформация. Я говорила сложными терминами, считая, что их все знают. Я думала, что все имеют представление о парадоксе Розена – Подольского, а уж о корпускулярно-волновом дуализме – тем более. «Ну не понимают, и ладно», – подумала я и продолжила свои дискуссии только с друзьями-физиками, а чаще – сама с собой.
И вот я огорошила семью, заявив, что больше не хочу заниматься наукой. У меня было чувство, что весь мир открыт и зовёт меня. Мне хотелось многое в жизни попробовать, а не сидеть только в библиотеках и лабораториях.
Я сделала неплохую карьеру в маркетинге. Много путешествовала, родила и воспитываю троих детей, танцую танго и балет, живу с семьёй в разных странах. А ещё изучала психологию, НЛП, буддизм и даже каббалу. Но чем бы я ни занималась, я никогда не забывала о квантовой физике. Её законы описывают, чем же является та реальность, в которой мы существуем.
Несколько лет назад квантовая физика опять вошла в моду, но уже в новом виде. Вслед за Нобелевскими премиями по физике, многие из которых давались за открытия в области квантовой теории, появились квантовые психологи, квантовые разборы. Повсеместно стало использоваться понятие «квантовый скачок» (я расскажу о нём позже). Сейчас многие считают квантовую физику не серьёзной наукой, а некой эзотерической теорией и утверждают, что из квантовой физики следует, будто они могут посылать свои желания в «квантовые поля» и «Вселенная» обязательно их исполнит 1.
Мне стало обидно за физику. И я начала в соцсетях объяснять, что же это такое – квантовая физика, почему она всем так интересна. За годы, которые я провела вне формальных научных институтов, я научилась говорить понятным, без научных терминов, языком. Моё первое видео, снятое для YouTube, – о нелокальности – неожиданно собрало более 200 тысяч просмотров за месяц. И я поняла: о квантовой физике точно надо рассказывать.
Вместе с теорией относительности квантовая физика описывает наш мир. Всё, что происходит во Вселенной, объясняется ими двумя. Да-да, любые другие теории всего лишь частные случаи этих двух. Теория относительности рассказывает о движении крупных тел и о больших скоростях. А квантовая физика говорит о микромире, она – своеобразный код к конструктору нашей реальности.
Все науки можно разделить на физику и коллекционирование марок.
Альберт Эйнштейн, создатель теории относительности
Недавно была решена одна сложная задача, и Нобелевскую премию по физике в 2022 году дали за доказательства неравенств Белла. Если кратко, неравенства Белла – это о том, что мы не можем точно описать все процессы, происходящие в мире. И не потому, что у нас нет формул или наши приборы несовершенны, а просто потому, что мир в основе своей непознаваем.
«Самое непостижимое в мире – это его постижимость», – писал Эйнштейн в своём знаменитом эссе в 1936 году. Как учёные создают свои теории? Ведь всё, что происходит вокруг, довольно нелогично. Очень многое мы не можем объяснить. И всё же на фоне такой путаницы с завидной регулярностью проступают законы этого мира. Солнце всегда садится на западе. Вода при кипении превращается в пар. Если рядом с вами упадёт дерево, вы услышите звук падения… Это не исключения из анархии жизни, а проблески лежащего в её основе порядка. Это и называется физикой.
В 1869 году Дмитрию Менделееву во сне пришла идея упорядочения химических элементов. Так появилась известная сегодня Периодическая система химических элементов – таблица Менделеева. Она показывает, что в свойствах элементов есть периодические закономерности – из хаоса вдруг появляются порядок и предсказуемость. Все известные элементы легко вписались в эту таблицу, однако в ней оставались пустые места, которые позже заполнили открытые элементы с предсказанными Менделеевым свойствами.
Наука даёт вам возможность находить порядок и правила в любых незнакомых процессах. Это и есть развитие адаптивного интеллекта – основы преуспевания в современном мире.
В этом нет ничего удивительного. Квантовая физика всеобъемлюща, она проникает во все сферы жизни. Она открыла нелокальность, принцип неопределённости, туннельный эффект и много других странных законов. Удивительно, что все они перекликаются с древними даосскими и буддистскими учениями, говорящими, что окружающий мир – это иллюзия, майя, игра божественного воображения или картина, нарисованная наблюдателем. И возможно, квантовые эффекты играют огромную роль в работе нашего сознания… В книге я расскажу об этом.
Вы узнаете основные законы квантовой физики, модели мироустройства и то, как всё это связано с философией, религией и психологией. Это ведь удивительно и интересно, не так ли?
Кроме того, по опыту учеников моих курсов знаю, что, прочитав книгу, вы перенастроите мышление, получите новые для вас инструменты решения жизненных задач, сможете делать правильный выбор в сложных ситуациях.
Если увлекаетесь эзотерикой, вам тоже будет очень полезно знание основ квантовой теории: вы найдёте много интересных для себя пересечений.
И кстати, физики очень любят шутить! Поэтому в книге много научного юмора, мемов и забавных историй, приключившихся с учёными.
В конце каждой части я разместила задания, ведь знания квантовой физики можно – и нужно! – применять в жизни. Используйте хештег #арьекнига в соцсетях, и будем вместе обсуждать интересные идеи.
Моя миссия – показать, что квантовая физика увлекательна, интересна и очень полезна. О ней можно рассказывать простыми словами, как и найти много параллелей с её законами в нашей жизни. Я приглашаю вас в увлекательное научное приключение!
#физикишутят
Учёный язык
– Папа, я хочу на завтрак кукурузные хлопья. Неужели и сегодня овсянка?
– Да. Мама выдвинула предположение, что ввиду похолодания будет полезно повысить температуру твоего тела путём поедания тобою овсянки. Кроме того, ввиду вышеупомянутых температурных условий твои связанные бабушкой перчатки и пальто с тёплой подкладкой и капюшоном, несомненно, должны быть надеты.
– Можно посыпать овсянку сахаром?
– Отсутствие сахара в сахарнице, имеющейся в нашем распоряжении, отмечалось некоторое время назад папой. Однако в настоящее время очередная доза этого вещества доставляется мамой из кухни, где оно хранится в специально приспособленном контейнере.
– Папа, я не хочу сегодня в школу. Не каждый же день туда ходить!
– Несколькими исследователями было независимо показано, что недостаток школьного образования может впоследствии отрицательно повлиять на способность индивидуума зарабатывать деньги. Кроме того, другие папы сообщали, что, в частности и в особенности, та школа, которой папа платит деньги, является очень хорошей. Другим фактором, который необходимо принимать во внимание, является относительная свобода, которой мама пользуется днём в твоё отсутствие, в силу чего у неё имеется возможность уделять внимание лишь беби и себе самой.
– Но зачем туда ходить каждый день?
– Предыдущее высказывание по данному вопросу игнорируется полностью. Создаётся впечатление, что в этот момент ты не слушал. Доводы настоящего оратора сводятся к следующему: при отсутствии преимуществ в образовании, которые обеспечиваются регулярным посещением нормальной школы, могут наблюдаться пробелы в знаниях, а этот недостаток, в свою очередь, может привести к бедствиям, проистекающим из недостаточности денежных резервов 2.
И так далее…
Ничего не скажешь, устрашающая беседа. Вы, конечно, можете возразить, что ни один нормальный человек так не говорит. Верно. Никто не говорит так за обеденным столом, но как только речь заходит о фотонах или генах, многие учёные автоматически переходят именно на такую тарабарщину.
Часть 1
Загадочные кванты
Вы изучите основные понятия в физике; поймёте, чем квантовая физика отличается от классической; узнаете, что такое квант и как можно совершать «квантовые скачки’».
Глава 1
Частицы
Чтобы изучать законы квантовой физики, нужно понимать её основные термины. Из этой главы вы узнаете, что такое частицы, волны и поля. Что‑то вы вспомните из школьной программы, а что‑то будет новым. Не пролистывайте этот материал, ведь на полученных знаниях основывается вся книга!
Что такое атом
Греческий философ Демокрит (460–370 гг. до н. э.) первым предположил, что существуют атомы.
Атом (др. – греч.) означает «неделимый».
Атомы – это кирпичики, из которых строится любое вещество. Во времена Демокрита атомы считались неделимыми, самыми малыми частицами, но сейчас мы знаем, что это не так. У атома есть строение.
Атом состоит из ядра и электронов. Ядро атома тоже является делимым – оно состоит из протонов и нейтронов. У нейтронов нет заряда. У протонов положительный заряд, а у электронов – отрицательный. Обычно количество протонов и электронов в атоме одинаковое. Поэтому общий заряд атома равен нулю.
В школе вам говорили, что эти частицы (протоны, нейтроны и электроны) и есть самые малые частицы. Но это не так. Только электрон неделим, а протоны и нейтроны состоят из кварков, и по-настоящему элементарные частицы – это кварки.
Кварков существует шесть типов, и у них очень забавные названия: странный, очарованный, нижний, верхний, прелестный, истинный. Да, у физиков хорошее чувство юмора.
В книге я не буду подробно останавливаться на классификации элементарных частиц, это не столь важно для понимания законов квантовой физики.
Интересно, что масса ядра атома составляет более 99,9 % массы атома. Поэтому масса атома сосредоточена в его ядре. А электроны очень лёгкие.
Если возьмём 1 грамм электронов и расположим каждый из них на прямой линии рядом друг с другом, то они образуют цепочку длиной в 4 миллиарда километров!
Все существующие электроны абсолютно идентичны. Вы не найдёте различий, если я поменяю два из них местами. Мои электроны точно такие же, как и ваши, а те идентичны электронам, например, Марса.
Как понять, сколько электронов в атоме?
Надо посмотреть в таблице Менделеева. В ней у каждого элемента есть порядковый номер, он написан в правом верхнем углу. Число протонов и число электронов в атоме равны порядковому номеру элемента. Вверху слева – массовое число, т. е. число нуклонов в ядре (протоны + нейтроны); внизу слева – заряд ядра, т. е. число протонов.
Кстати, в других странах таблицу Менделеева называют просто периодической таблицей элементов, и многие даже не слышали о том, что её изобрёл русский учёный Дмитрий Менделеев. Считаю это большой несправедливостью.
Размер атома
Теперь перейдём к размеру атома.
Вы знаете, что атомы маленькие. Но насколько они маленькие?
Если увеличить монетку в пять копеек до размера Земли, то атом в монетке будет равен по размерам настоящим пяти копейкам.
Или можно сказать так: в одном стакане воды содержится больше атомов, чем число стаканов воды, необходимое для наполнения всех морей и океанов мира.
Какие размеры у частиц атома?
Размер ядра атома более чем в 10 тысяч раз меньше самого атома. А размер электрона и того меньше. Если рассматривать электроны, протоны и нейтроны как частицы, то атом практически пуст.
Почти всё вокруг состоит только из электронов, протонов и нейтронов.
Если бы мы убрали всё пустое пространство между элементарными частицами внутри людей, то мы все – всё человечество – поместились бы в мандарине.
Мы – люди и все предметы вокруг – представляем собой практически пустое пространство. Мы призраки.
Глава 2
Волны
Волны – это процесс распространения колебаний с течением времени.
Параметры волн:
• амплитуда (А) – это максимальное отклонение от положения равновесия (например, амплитуда морской волны – это её высота);
• период (Т) – это время полного колебания;
• частота – это число колебаний в единицу времени.
Важно помнить: волны переносят энергию, но не переносят вещество.
Например, на поверхности воды лежит небольшой листок с дерева. Если бросить в воду камень, от него во все стороны начнут распространяться волны. Дойдя до листка, они не потянут его в направлении движения волн, а просто заставят совершать колебательные движения вверх и вниз. Форма воды будет меняться благодаря энергии от удара камня, но течение не возникнет.
Примеры волновых процессов в природе: колебание струны, дрожание желе, звук и, конечно, электромагнитные волны.
Идею прослушивать пациенток через трубку (это звуковые волны) пришла в голову врачу Рене Лаэннеку в 1816 году, потому что он стеснялся прижиматься к женской груди на каждом приёме.
Шкала электромагнитных излучений и видимое излучение
Электромагнитные волны пронизывают всё пространство вокруг. Очень многие физические процессы отличаются друг от друга всего лишь длиной волны. Это радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения и ещё опасные для человека рентгеновское излучение и гамма-излучение.
Низкочастотные волны и радиоволны используются для радиосвязи, космической связи, телепередач.
Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, без которого не было бы жизни. Его основной источник – Солнце, как и для ультрафиолетового излучения. В больших дозах эти излучения могут быть опасными.
И по-настоящему опасные волны – рентгеновское излучение и гамма-излучение.
Рентген используют в криптографии, а ещё с его помощью можно увидеть, что находится внутри человека.
Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, у него высокая проникающая способность из-за малой длины волны. При авариях на АЭС именно оно причиняет так много вреда окружающему пространству.
На рисунке есть тонкая полосочка – это видимое излучение. Мы видим очень малую часть того, что происходит вокруг. Многие другие живые существа видят гораздо больше нас. Например, орлы и пчёлы видят ультрафиолетовый спектр.
В детстве я задумывалась: как бы выглядела наша жизнь, если бы мы видели все длины электромагнитных волн? Помогло бы нам это или нет? Большой вопрос.
#физикишутят
Один из создателей термодинамики (наука о передаче тепла), Вальтер Нернст, в часы досуга разводил карпов.
Однажды кто‑то глубокомысленно заметил:
– Странный выбор. Кур разводить и то интересней.
Нернст невозмутимо ответил:
– Я развожу таких животных, которые находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – значит, обогревать на свои деньги мировое пространство.
А у вас есть не связанное с работой увлечение, которое демонстрирует вашу экспертность?
Глава 3
Взаимодействия
Взаимодействие – это вообще главное, что изучает физика. Исследуя вещество, явление или предмет, мы всегда сталкиваемся с тем, что они взаимодействуют с окружающим миром.
Вместо «Я мыслю, следовательно, я существую» физик бы сказал: «Я взаимодействую, следовательно, я существую».
Даже когда мы просто смотрим на предмет, он облучается фотонами (волной света). Фотоны от него отражаются и попадают нам в глаз. И наш глаз по углу отражения и длине волны может составить представление о форме этого предмета и о его цвете. Помните, что цвет предметов – это лишь длина волны, которую предмет отразил, а мы уловили.
В мире существует всего четыре вида взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие
Хотя это самая слабая сила, она наиболее нам знакома. Из-за неё люди могут находиться на Земле, а планеты – вращаться по орбите вокруг Солнца.
Сила гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Поскольку Земля – ближайший к нам из самых крупных объектов, то все предметы притягиваются к ней.
Если бы не было гравитационного взаимодействия, то из-за отсутствия центростремительной силы люди оторвались бы от Земли и улетели бы в открытый космос со скоростью 436 м/с. Огромная скорость, не правда ли? Гравитация играет важнейшую роль в нашей Вселенной, в нашей жизни вообще. И вместе с тем это самое слабое взаимодействие (посмотрите на таблицу!).
Фундаментальные физические взаимодействия
Гравитационное взаимодействие объясняет теория относительности. А квантовая теория описывает три оставшихся вида взаимодействий.
Сильное взаимодействие
Участники сильного взаимодействия – протоны и нейтроны. Это та сила, которая удерживает вместе составляющие этих частиц (кварки) и всё ядро атома. Это мощное, самое сильное взаимодействие. Оно работает только на очень коротких расстояниях, крошечных, как ядро атома. И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется радиоактивным распадом.
В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Некоторые атомы радиоактивны, однако в большинстве случаев это для нас не опасно. Например, банан содержит калий‑40, в грамме которого происходит 32 ядерных распада в секунду. Природный уровень радиации выше среднего у картофеля, орехов и семечек подсолнечника.
В атомной бомбе «Малыш», которая была сброшена на Хиросиму, содержалось около 700 граммов урана‑235. И всего лишь 0,6 грамма вещества было превращено в энергию, создавшую такие ужасные разрушения. Представьте, насколько мощным является сильное взаимодействие.
#физикишутят
Забавно, что люди благодаря философии «в жизни надо попробовать всё» начинают пробовать наркотики, а не изучать ядерную физику, например.
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие электрически заряженных частиц. Носители этого взаимодействия – фотоны.
Фотоны – это безмассовые частицы, которые двигаются со скоростью света и являются самыми распространёнными частицами во Вселенной. Луч света (это поток фотонов) доходит от Солнца до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды до Земли – за 472 года, т. е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба. И вообще, то, что мы видим в ночном небе, – это давно прошедшие события.
Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, работает на бесконечно больших расстояниях. Оно намного сильнее гравитационного, но не проявляется в космических масштабах, поскольку материя электрически нейтральна (в каждой области Вселенной количество положительных и отрицательных зарядов примерно одинаково).
В обычной жизни мы постоянно сталкиваемся с электромагнитным взаимодействием. Действие большинства современных приборов и бытовой техники основано на электромагнитном взаимодействии.
Слабое взаимодействие
Участники слабого взаимодействия – все элементарные частицы.
Это довольно странное взаимодействие, с помощью которого одни частицы превращаются в другие. Возьмём, например, нейтрон (напомню, что это элементарная частица, т. е. его нельзя разделить на части). С помощью слабого взаимодействия нейтрон может превратиться в протон, электрон и ещё одну очень лёгкую частицу – антинейтрино. В ядре нейтронам это сделать трудно: им мешает сильное взаимодействие. А вот когда нейтрон находится не в ядре (говорят: «свободный нейтрон»), он легко делает такое превращение. В свободном состоянии нейтроны существуют около 15 минут, а потом распадаются.
Но иногда такое превращение случается и в ядре. Это называется бета-распадом. Благодаря слабому взаимодействию наше Солнце поддерживает внутри себя ядерные реакции, и поэтому все живые организмы на планете Земля спокойно развиваются, а не замерзают.
Я с детства любила обниматься. Ну, даже больше не обниматься, а прижиматься к любимым людям. Обе мои бабушки были мягкие, уютные, мне нравилось сидеть у них на коленях. Я клала голову на плечо дедушки, когда он рассказывал мне о космосе. Ну а с мамой мне нравилось спать, прижавшись к ней. Когда мне было шесть лет, мы с мамой возвращались домой в Москву с моря. Удалось достать билет только в общий вагон. Он был ужасно забит пассажирами, но нам удалось занять верхнюю полку. Почти двое суток мы лежали и разговаривали, прижавшись друг к другу, снизу места вообще не было. Эти дни вспоминаются как одни из самых счастливых в жизни.
Я всегда представляла себе, как частицы моего тела буквально соприкасаются с частицами тела другого человека или как, если иду по пляжу, частицы моих ног соприкасаются с частицами песка. И я испытала огромное разочарование, когда узнала, что никакие частицы не соприкасаются. Всё вокруг – это практически пустое пространство с точки зрения материи. А всё, что мы ОЩУЩАЕМ как прикосновение, – это взаимодействие частиц моего тела и тела другого человека, и оно происходит на расстоянии. Электроны атомов поверхности моей кожи отталкиваются от электронов другого человека. Это и есть прикосновение.
Но, если подумать, это ведь настоящее волшебство! Физика взаимодействий открывает перед нами великолепный мир, где кажущаяся сложность и многообразие происходящего сводятся к нескольким универсальным принципам. Все процессы, начиная от движения планет до объятий, от улыбки малыша до взаимодействия частиц в микромире, подчинены этим великим силам. Таким образом, наблюдая мир вокруг, мы видим танец взаимодействий, создающих удивительное единство в физическом мире.
Глава 4
Поля
Мы вспомнили, что такое частицы и волны, какие бывают фундаментальные взаимодействия в природе. И сейчас я расскажу о полях.
На этой теме существует больше всего спекуляций.
Думаю, вы не раз слышали фразы: «Существуют квантовые поля, и я пошлю своё желание в квантовое поле», «Вселенная обязана исполнить любое желание». Разберёмся, так ли это.
Поле – это достаточно математическое понятие в физике; поле нематериально, его невозможно потрогать. Слово «поле» используется в двух значениях.
1. Поле – это физическая величина, определённая во всех точках пространства.
Например, температура. В каждой точке пространства есть своя температура воздуха. В Москве она одна, в Лондоне другая, в Париже третья. Отметим на карте температуру для каждого города. В каждой точке пространства карты будет существовать своё значение. И мы назовём это полем температуры. Можно создать поле влажности, поле давления.
Но вместе с тем мы же понимаем, что температура существует. Никакого ПОЛЯ температуры в физическом смысле нет. Есть распределение температуры, которое называется полем.
2. Поле – это область пространства, передающая взаимодействия.
Это как раз те четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы рассматривали в главе 3. Никаких других взаимодействий в природе нет. Поэтому есть гравитационное поле, электромагнитное поле и поле, отвечающее за слабое и сильное взаимодействие, т. е. за взаимодействие частиц внутри атома.
Есть специальная наука, которая исследует это взаимодействие, называется она квантовой теорией поля. Её изучают на кафедрах теоретической и ядерной физики.
Обратите внимание на название: «квантовая теория поля». Не «теория квантового поля»! «Квантовое поле» в русском языке говорить безграмотно!
Откуда это словосочетание вообще пришло в русский язык? Подозреваю, что так же, как и слово «вибрации», когда англоязычную научную литературу переводили переводчики без технического образования. В английском языке эта теория называется quantum field theory. В русском языке можно сказать «квантованное поле», хотя это понятие не так часто используется. Конечно, физики не обладают монополией на использование слова «квантовый». Поэтому вы можете сказать «квантовое поле», но не тогда, когда говорите о физике; вам надо указать, что именно вы имеете в виду. Замечаю, что часто под этим термином понимают коллективное бессознательное. Однако не говорите так в научной среде, иначе вас не будут серьёзно воспринимать.
Основная идея квантовой теории поля: частица – это элементарное возбуждение в некотором поле. Наша реальность – полевая; никаких частиц самих по себе не существует.
В квантовой физике мы рассматриваем частицы не как маленькие шарики, а как возмущения поля. В следующей главе вы узнаете, что любая частица может быть как частицей, так и волной, и из-за этого возникала путаница; введение понятия поля упростило ситуацию. К тому же квантовая теория поля позволяет делать серьёзные математические расчёты.
В физике элементарных частиц есть свой аналог таблицы Менделеева – это стандартная модель. В ней размещены все известные элементарные частицы. Ещё раз обращу ваше внимание на официальные названия кварков: прелестный, истинный, очарованный, странный… Очень мило, не правда ли?
Можно сказать, что существуют поля каждой элементарной частицы из этой таблицы. Изучением взаимодействия этих полей занимается наука квантовая теория поля.
В теоретической физике также есть много гипотетических полей. Они относятся к теориям, которые не содержат внутренних противоречий и часто не противоречат наблюдениям. Однако они ещё не приняты в научном сообществе из-за того, что воспроизводимы только статистически. А для признания научной теории необходима 100 %-ная воспроизводимость результатов.
Например, тахионное поле. Тахион – это гипотетическая частица с массой, равной комплексному числу, которая движется со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Впервые идею существования таких частиц предложил Арнольд Зоммерфельд.
Физик-теоретик Арнольд Зоммерфельд был универсальным учёным, чьи интересы распространялись как на точные науки, так и на гуманитарные, включая литературу, философию и историю. Его называют главным неудачником Нобелевской премии: Зоммерфельда номинировали 84 (!) раза, но так её и не дали. Сам Зоммерфельд два раза номинировал на премию своих коллег – Альберта Эйнштейна и Макса Планка, – после чего учёные стали нобелевскими лауреатами. Всего шесть учеников Зоммерфельда удостоились почётной награды, что тоже является рекордом.
Тахионы не могут как‑либо взаимодействовать с частицами нашего мира, так как их скорость выше скорости взаимодействия в нашей Вселенной. Они просто выпадают из нашей пространственно-временной и причинно-следственной структуры!
По этой причине обнаружение и фиксация таких частиц представляются, скорее всего, невозможными.
Физики вообще любят придумывать теории, которые в принципе невозможно проверить.
Другой интересный пример гипотетического поля – торсионное поле. Мысль о существовании такого поля впервые пришла в голову математику Эли Картану, который предположил следующее. Если элементарные частицы обладают набором независимых параметров, то каждому из этих параметров должно соответствовать своё поле: заряду – электромагнитное, массе – гравитационное, а спину – спиновое (или торсионное). Мне это кажется очень разумным и логичным.
Теория активно разрабатывалась советскими учёными в 1980‑е годы. Несмотря на сложности в СССР в этот период, изучение теории торсионный полей было поддержано правительством и хорошо финансировалось. Однако в 1990‑е годы исследовательская группа была распущена.
Торсионное поле (если существует) является носителем пятого фундаментального взаимодействия – информационного. И это взаимодействие в настоящее время гипотетическое.
Однако многие теории десятилетиями не принимались, а потом стали звёздами науки. Хороший пример – бозон Хиггса и поле Хиггса (см. стандартную модель). Благодаря полю Хиггса у элементарных частиц есть масса. Бозон Хиггса даже называют частицей Бога. Существование бозона предсказали в 1964 году, однако доказательств тому не было. До 2012 года это была гипотетическая теория, а потом бозон Хиггса экспериментально обнаружили на Большом адронном коллайдере. Кто знает, может, через несколько десятилетий теорию торсионных полей тоже признают наукой.
Глава 5
Постулаты классической физики
Квантовая физика – это набор самых действенных принципов, когда‑либо придуманных людьми. Это самая проверенная и доказанная теория из всей науки.
Нильс Бор представил миру квантовую теорию в 1927 году, и с тех пор она господствует в науке.
Любой, кто не поражён квантовой теорией, просто её не понимает.
Нильс Бор, один из создателей квантовой механики
В основе квантовой теории лежит вероятность того, что все возможные события могут произойти, сколь бы фантастичны и необычны они ни были.
Из-за этого многие стали думать, что квантовая физика – это не наука, а воображаемая теория.
Постулаты классической физики
1. Пространство и время абсолютны. Любое сложное движение можно разложить на совокупность простых движений.
2. Существует связь причины и следствия. По теории Ньютона, у каждого изменения в движении есть причина.
3. Детерминизм. Если в какой‑то момент нам известно состояние движения объекта, то мы можем определить его состояние в любой момент будущего и прошлого.
4. Свойства света полностью описаны в теории электромагнитных волн Максвелла.
5. Свойство системы можно рассчитать с любой степенью точности. Атомные системы не исключение.
Все эти постулаты нам знакомы из школы. И кажутся достаточно очевидными, потому что мир, который мы видим вокруг, казалось бы, подчиняется им. Но на самом деле сейчас все эти постулаты ставятся под сомнение как раз благодаря квантовой физике.
Глава 6
Как устроен атом
Первую модель атома предложил в 1904 году Джозеф Томсон. Она забавно называлась «пудинг с изюмом».
Считалось, что положительный заряд равномерно размещён по всему атому и внутри него находятся отрицательно заряженные электроны – как изюм в пудинге.
Кстати, не путайте Джозефа Томсона с другим физиком – Уильямом Томсоном, который известен ещё как лорд Кельвин. Этот Томсон, который лорд, был первым учёным, получившим право заседать в палате лордов. И в честь него мы говорим «температура по Кельвину».
Следующую, усовершенствованную модель атома предложил Резерфорд, ученик Джозефа Томсона, в 1911 году. Он установил, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, при этом ядро занимает меньше одной миллиардной части объёма атома. Это стало называться планетарной моделью атома.
#физикишутят
Уильям Томсон (лорд Кельвин) однажды отменил свою лекцию и написал на доске:
Professor Tomson will not meet his classes today.
(«Профессор Томсон не сможет сегодня встретиться со своими учениками».)
Студенты решили подшутить над профессором и стёрли первую букву в слове classes (получилось lasses – «любовницы»).
На следующий день Томсон увидел это исправление, но не растерялся, а стёр ещё одну букву в этом же слове и молча ушёл (получилось asses – «ослы»).
Сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженным электроном должна быть равна центростремительной силе, действующей на вращающийся электрон. Но если электроны кружатся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, и постоянно ускоряются, то почему они не излучают электромагнитные волны? (Напомню, что ускорение ведёт к изменению скорости движения тела, а скорость может меняться не только по величине, но и по направлению.) Электроны должны были постоянно терять энергию и в результате упасть на ядро (любое заряженное тело, движущееся с ускорением, излучает электромагнитные волны и, следовательно, теряет энергию). Ответ нашёл ученик Резерфорда – Нильс Бор.
Нильс Бор, пожалуй, самый знаменитый разработчик квантовой теории. Амбициозный датчанин приехал работать в Манчестерскую лабораторию Резерфорда, едва зная английский. Бор учил язык по полному собранию сочинений Диккенса, которое он привёз с собой.
Нильс Бор работал несколько лет и усовершенствовал модель Резерфорда, предложив следующие постулаты.
Постулаты Бора
• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитных волн (энергию).
• Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе с одной орбиты на другую.
Орбита и энергетическое состояние
На картинке электрон находится в стационарном энергетическом состоянии и может перейти на соседнюю орбиту. Это называется «квантовый скачок». Дальше я напишу формулу, по которой вычисляется величина этого «скачка», а пока важно понять: квантовый скачок – это самое малое изменение энергии, которое только возможно.
Забавно, когда понятие «квантовый скачок» используют в качестве синонима невероятно большого роста. Будьте с этим аккуратны!
И помните: квантовый скачок – это не только крошечное изменение энергии. Это изменение может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.
#физикишутят
В лаборатории Резерфорда в 1920‑е годы работал талантливый русский физик Пётр Капица. Во время обучения в Московском университете он твёрдо решил, что хочет поехать в аспирантуру к Резерфорду. Капица добился поездки в Англию. Но Резерфорд, руководивший в то время тридцатью аспирантами, не захотел принимать нового. Ему и в голову не приходило, что этот русский станет одним из его любимых учеников и соавтором в области фундаментальных исследований в физике низких температур.
Появившись у Резерфорда, Капица попытался убедить учёного взять его к себе, но услышал отказ. Тогда Капица привёл следующий нестандартный довод. «У вас тридцать аспирантов?» – спросил он. «Да, и больше мне не нужно», – ответил Резерфорд. «А какова обычно погрешность измерений в вашей лаборатории?» – «Около трёх процентов». Капица моментально парировал: «Ну вот видите! Тридцать один аспирант точно укладывается в пределы погрешности!» После этого вопрос с аспирантурой был решён.
Задание
Подумайте, какие нестандартные методы вы используете для достижения своих целей.
Принцип запрета Паули
Когда мы смотрим на модель атома Бора, у нас возникает интересный вопрос: почему все электроны в атоме не находятся на самой нижней орбите? (Нижняя орбита – это та, которая находится ближе всего к ядру и обладает минимальной энергией.)
Ответ дал Вольфганг Паули в 1925 году, сформулировав свой принцип исключения: на каждом энергетическом уровне может находиться только один электрон. Если уровень занят, следующий электрон займёт свободный, более высокий энергетический уровень. Уровни будут заполняться от минимальной энергии к максимальной.
#физикишутят
Вольфганг Паули был одним из создателей квантовой физики и стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с любым экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Физики-экспериментаторы даже не позволяли ему заходить в лабораторию и разговаривали с ним через закрытую дверь. Утверждали, что ему достаточно просто войти в кабинет, чтобы в нём что‑нибудь сразу же переставало работать. Это мистическое явление окрестили эффектом Паули. Однажды в физической лаборатории в Гёттингене произошёл сильный взрыв. Время взрыва было точно зафиксировано. Как потом оказалось, ЧП случилось именно тогда, когда поезд, в котором ехал Паули, остановился на несколько минут в Гёттингене.
Задание
Если бы был эффект вашего имени, то о чём бы он был? Помогает ли такой эффект вам в жизни?
Глава 7
Что такое квант
Молодой физик Макс Планк очень любил музыку. Он сомневался, стоит ли ему продолжать изучать теоретическую физику или всё же заняться музыкой.
В конце концов Планк объявил своему научному руководителю, что хочет посвятить жизнь теоретической физике. «Молодой человек, – произнёс профессор, – теоретическая физика уже в основном закончена… Зачем вам браться за такое бесперспективное дело?» Но Планк уже сделал выбор. Прошли годы, и Макс Планк стал одним из отцов-основателей квантовой теории, и именно он придумал термин «квант». Случилось это в 1900 году.
Планк изучал свечение нагретых тел. Кузнецы или стеклодувы, которые много работали с горячими объектами, всегда знали, что при нагревании цвет предметов меняется от красного к жёлтому, от жёлтого к синему. Напомню: цвет всего лишь показывает длину волны (или частоту) излучения.
Физики пытались найти формулы, описывающие этот эффект, опираясь на теории Ньютона и Максвелла. Но ничего не получалось. Тогда Планк выдвинул гипотезу, что свет излучается не непрерывно, а дискретно – «пакетами», которые он назвал квантами. Это была просто гипотеза, к которой вначале ни сам Планк, ни другие физики не отнеслись серьёзно.
Кстати, Планк не оставил своё увлечение музыкой. Он часто музицировал вместе с Альбертом Эйнштейном: Планк играл на фортепиано, а Эйнштейн – на скрипке.
Что значит «дискретно»? Например, дискретная величина – это количество наличных денег у вас в кошельке. У вас может быть 125 рублей и 3 копейки. Но не бывает кусочка копейки. Поэтому квант наличных денег – это копейка. Копейка – это минимальное количество наличных денег.
Квант – это минимально возможное значение физической величины.
Формула Планка:
E = hν,
где E – энергия;
h – постоянная Планка;
v – частота излучения (читается: «ню»).
h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙c
= 0,000000000000000000000000000000000663
Величину постоянной Планка сам Планк нашёл вручную, подбирая значения, совпадающие с результатами экспериментов.
Чем горяче́е объект и чем больше его энергия, тем выше частота его излучения. Поэтому кузнец видит, как при нагревании меняется цвет тела, т. е. увеличивается частота излучения тела (см. гл. 2, шкала электромагнитных излучений).
#физикишутят
Экзаменатор: Напишите формулу Планка.
Студент: Е равняется аш ню.
Экзаменатор: Что такое ню?
Студент: Постоянная планки.
Экзаменатор: А что такое аш?
Студент: Высота этой планки.
Вы, возможно, слышали, что температура поверхности Солнца – 6000 °C. Но откуда нам это известно, ведь мы никогда к Солнцу не приближались? Мы это знаем из-за длины волны света, который излучает Солнце. Это рассчитывается по формуле Планка.
Всё, что нас окружает, – квантуется. Весь наш мир дискретен. Квантуется не только энергия. Квантуются расстояние, объём. Квантуется даже время.
Математики считают, что мы можем бесконечное число раз делить отрезок пополам. Однако это математическая абстракция – наш мир устроен иначе. И в конце концов найдётся самая малая величина, которую уже невозможно будет поделить.
Насколько велик квант
Дам такие примеры. Атомное ядро включает в себя больше квантовых объёмов, чем количество кубических метров, входящих в галактику Млечный Путь.
А квант времени? Секунда – не самая малая единица измерения времени. В одной секунде больше квантов времени, чем количество секунд, прошедших с момента рождения Вселенной.
То есть квант – это очень, очень маленькая величина. И квантовый скачок тоже вычисляется по формуле Планка и является самым крошечным изменением энергии. Он может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.
Дискретная природа нашего мира порождает удивительные и странные явления, называемые квантовыми эффектами. Квантовые эффекты – это основы квантовой физики, о которых я скоро расскажу. Постоянную Планка можно назвать мерой дискретности.
Если постоянная Планка была бы равна нулю, то мир бы не существовал, так как энергия всех фотонов равнялась бы нулю и не было бы светового излучения.
А если бы постоянная Планка была гораздо больше, то эффекты микромира стали бы обычным для нас делом. Предметы бы исчезали и появлялись в неожиданных местах, тела бы меняли направление движения безо всякой причины, и можно было бы быть живым и мёртвым одновременно. Как вам такой мир?
Физики точно не знают, почему наш мир дискретный. Одно из интересных возможных объяснений – теория симуляции. Согласно ей Вселенная – это компьютерная симуляция, созданная Богом, а квант – это бит информации, как в наших компьютерах. Мы разберём эту теорию в следующих главах.
Резюме и задания
Резюме
• Наш мир состоит из атомов, а атом, в свою очередь, из протонов, нейтронов и электронов. Размеры частиц очень маленькие по сравнению с размером целого атома, поэтому любое тело (включая нас с вами) – это практически пустое пространство.
• Видимое излучение – это малая часть всего спектра электромагнитных волн. Цвет предмета определяется частотой отражаемого излучения.
• Есть четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. Все другие взаимодействия можно свести к этим четырём.
• Поле – это область пространства, передающая взаимодействие. Нет понятия «квантовое поле», есть наука – квантовая теория поля. В ней поля можно называть квантованными.
• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитные волны (энергию).
• Излучение и поглощение энергии происходит лишь при переходе с одной орбиты на другую. Это крошечное изменение энергии (как увеличение, так и уменьшение) называется квантовым скачком.
• Квант – это минимально возможное значение физической величины. Весь наш мир квантуется (он дискретен). Квантуется энергия, расстояние, объём, время.
Задания
1. Как вы думаете, почему все предметы в мире – это практически пустое пространство, а мы этого не ощущаем?
2. Порассуждайте, как любое взаимодействие можно разложить на четыре фундаментальных взаимодействия. Найдите свои примеры.
3. Найдите или придумайте смешные примеры неграмотного использования понятия «квантовый скачок». Поделитесь в соцсетях с хештегом #арьекнига.
4. Приведите примеры понятий, которые являются дискретными, а также примеры недискретных понятий.
Часть 2
Двухщелевой эксперимент и корпускулярно-волновой дуализм
Вы узнаете, что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм» и какой опыт считается самым главным в истории физики; что такое таинственный эффект наблюдателя и существует ли вообще объективная реальность. А ещё потренируетесь создавать собственную реальность.
Глава 1
Свет – это частицы или волны?
Я думаю, что могу смело утверждать: квантовую механику не понимает никто.
Ричард Фейнман, один из основателей квантовой механики
Физики, математики, философы всегда любили рассуждать о природе света. Аристотель считал, что свет – это волна. Демокрит, живший в те же годы, верил: свет – это частицы. Ньютон писал, что свет состоит из корпускул, а другой великий физик, Христиан Гюйгенс, считал свет волной.
И по сути, все они были правы. Свет иногда ведёт себя как волна, а иногда – как частицы. Частицы света – это фотоны. И это называется корпускулярно-волновым дуализмом.
И самая главная тайна квантовой физики заключается в том, что до сих пор точно неизвестно, когда же волна превращается в частицу.
#физикишутят
– Что вы думайте о корпускулярно-волновой теории света?
– Я не Света, я – Наташа.
Глава 2
Дифракция и интерференция
Вспомним такие понятия, как «дифракция» и «интерференция», которые понадобятся нам для понимания двухщелевого эксперимента.
Дифракция волны (в частности, света) – это отклонение волны от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
Например, это явление можно увидеть на поверхности воды.
На пути распространения волн поместим экран с узкой щелью. За экраном будет расходиться круговая волна так, будто в щели находится источник волн.
Интерференция – это взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн 3 при их наложении друг на друга.
Например, если кинуть два камушка в воду, от них начнут расходиться круги. В какой‑то момент круги начнут соединяться друг с другом. И вы увидите, что там, где они соединяются, высота волн увеличивается, а в других местах гасится. Вот это и называется явлением интерференции.
Глава 3
Двухщелевой эксперимент
Вся квантовая механика может быть выведена путём тщательного осмысления следствия одного этого эксперимента.
Ричард Фейнман, один из основателей квантовой теории
Томас Юнг провёл свой знаменитый двухщелевой эксперимент ещё в далёком 1801 году. В чём суть опыта? Есть источник света, есть экран. Между ними помещают непрозрачную пластинку, в которой сделана длинная прорезь. На регистрирующем экране мы получаем тонкую полоску света. Сделаем ещё одну, параллельную прорезь рядом с первой. Мы ожидаем увидеть две полосы на экране, считая, что фотоны (кванты света) – это частицы. Но удивительно: полос не две. На нашем экране появляется узор из чередующихся тёмных и светлых полос (интерференционная картина). Точка, в которой пересекаются вершины волн, дающие наивысшую интенсивность, – это яркие линии.
Этот эксперимент стал самым часто повторяемым за всю историю физики. Он показывает, что свет – это не поток частиц, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.
Однако это было только началом. Около 100 лет назад Эйнштейн с другими физиками исследовал свойства света, и расчёты показывали, что свет всё‑таки состоит из частиц (фотонов). Но опыт Юнга показывал, что свет – это волна. Тогда ввели такое понятие, как «корпускулярно-волновой дуализм». То есть иногда свет ведёт себя как волна, а иногда – как частица (корпускула). Это кажется странным, но дальше всё становится ещё страннее.
#физикишутят
Узнав о корпускулярно-волновом дуализме, энергетическая компания стала присылать сразу две платёжки: за свет в виде частицы и за свет в виде волны.
Физики смогли провести опыт Юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. Учёные всегда сомневались: свет – это частицы или волна? А вот по поводу электронов сомнений не было 4.
Учёные стали стрелять электронами по экрану с двумя прорезями. Удивительно, но получился интерференционный узор! Выпустили электроны – маленькие частицы материи, но получили рисунок, как в опыте с волной света. Как частицы материи создают интерференционный узор, словно волны?
Физики подумали: возможно, электроны, как маленькие шарики, отталкиваются друг от друга и создают такой узор? И учёные решили выпускать электроны по одному, чтобы исключить вероятность их взаимодействия друг с другом. И опять знакомая интерференционная картина!
Как это возможно? Что вызвало интерференцию ОДНОГО электрона? Электрон – неделимая частица. Единичный электрон вылетает как частица, приобретает свойство волны, пролетая через обе щели одновременно. Он проходит через одну щель и проходит через другую. Физики были озадачены. Получается, электрон в момент прохождения пластины не существует как реальный объект с реальными координатами, а находится в двух местах одновременно.
Учёные решили понаблюдать, через какую щель электроны проходят на самом деле.
Pulsuz fraqment bitdi.
