Квантовый мир обладает удивительными особенностями, практически не встречающимися в обычном физическом мире обыденного сознания. Он покоится на ряде принципов, благодаря которым возникает множество странностей, делающих его непонятным и даже фантастическим.
Загадочные эффекты
Прежде всего к ним относится принцип дополнительности Бора, согласно которому дуализм волны-частицы объясняется за счёт эффекта разных приборов, производящих измерение (в одном приборе объект представляет собой волну, а в другом частицу). Нильс Бор утверждал, что невозможно отделаться от воздействия на микрообъекты приборных средств. Поэтому мы не вправе переносить эти свойства волн или частиц на сами микрообъекты, существующие вне приборов. Они такими свойствами попросту не обладают. А на вопрос о том, как же микрообъекты выглядят без приборов, т.е. на самом деле, Бор отвечал, что мы этого не знаем, по причине того, что не имеем средств установить это.
Другим принципом является соотношение неопределённости Гейзенберга, который вводит вероятность в квантовомеханические процессы (чем точнее определяются координаты частицы, тем неопределённее становится её импульс), и из этого следует туннельный эффект, за счёт которого преодолеваются пространственно-временные параметры. Кроме этого, в микромире действует принцип суперпозиции, когда микрообъект может находиться в нескольких состояниях одновременно, что невозможно в макромире. А также состояние запутанности, следующее из парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, согласно которому микрообъекты могут мгновенно осуществлять взаимодействие, находясь на огромных расстояниях друг от друга – даже на разных концах Галактики.
Два мира
На каких уровнях масштаба приходит различие между этими мирами?
В настоящее время физики пытаются увеличить, а не уменьшать масштаб переходов взаимодействия двух миров. Они продолжают спорить о том, при каких размерах микроскопический мир переходит в макроскопический (в наш мир), т.е. о том, где явления микромира могут быть обнаружены на уровне макроскопических процессов. «Это сложный вопрос, и вы получите разные ответы от разных специалистов», — говорит физик Джонатан Фридман из Колледжа Амхерст (США, Массачусетс).
Симон Грёблахер, работающий в Делфтском технологическом университете в Нидерландах, поднимает другой вопрос: Может ли макроскопический объект находиться сразу в двух зонах пространства в одно время? Например, существует ли одно яблоко сразу в двух местах одновременно? Это, кажется, немыслимое состояние на самом деле является нормой для фотонов и других частиц. И по этим же причинам физики не понимают реальность, которую мы видим. Действительно, макроскопические объекты – что угодно от песчинки до экскаватора или от вируса до слона – всегда проявляются в одном месте, и есть только одна зона их пространственной локализации. Они не могут быть сразу в двух или нескольких местах одновременно.
Возможности перехода
В последние годы Грёблахер и другие физики начали эксперименты, которые однажды смогут показать, как объекты совершают поразительный переход из квантового к макроскопическому состоянию. Для этого используются разные, в том числе и механические системы. Грёблахер достиг запутанности в масштабах близких к микромиру, используя мембраны диаметром в 1 мм. Они способны вибрировать в течение нескольких часов после механического толчка, что может быть использовано для тестирования запутанных состояний физических систем. Грёблахер предполагает, что в ближайшем будущем, используя такую систему, в квантовую суперпозицию удастся поместить даже маленький живой организм.
В 2021 году научная группа из Технологического университета Лахти использовала алюминиевые мембраны, состоящие из 10^12 атомов, имеющие размеры приблизительно 15 микрометров, осуществляющих вибрацию. В этих условиях также демонстрировалась запутанность. Так, если одна мембрана при измерении принимала состояние 1, то другая сразу же принимала состояние 2. Предполагается возможным получить запутанность и в миллиметровом диапазоне, но для этого нужны новые материалы.
Жидкость вне сосуда
Способны ли эти усилия урегулировать тайны квантовой теории или углубить их, этого сказать всё ещё не может никто. Получается, что основные уравнения квантовой теории говорят или не говорят о природе реальности. Известные как волновые функции, они приписывают вероятности объекту и определяют его шансы быть найденным в различных состояниях. В отличие от ньютоновской физики, где и яблоки, и планеты всегда имеют чётко определённые свойства, квантовая физика, по своей сути, является вероятностной. В некотором смысле, частицы, описываемые волновыми функциями, даже нельзя назвать полноценно существующими. Они не имеют фиксированных местоположений, скоростей или энергий – только вероятности. Всё меняется, когда учёные проводят измерения, тогда, собственно, и проявляются их свойства.
Существуют разные подходы для объяснения этого явления, включающие коллапс функции, процессы декогеренции и даже проявления множества миров Эверетта. Между тем в физике известны состояния материи, в которых квантовые явления проявляют себя на макроуровне. К ним относится конденсат Бозе – Эйнштейна. Это состояние вещества охлаждённого до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю (–273°С). Находясь на столь низком энергетическом уровне, система уже не может уменьшить своё энергетическое состояние за счёт трения, что приводит к явлению сверхтекучести жидкости. Без трения жидкость преодолевает гравитационное притяжение благодаря молекулярному взаимодействию со стенками сосуда и занимает наиболее выгодное положение – вне сосуда. В этом плане показателен эксперимент с гелием, охлаждённым почти до абсолютного нуля. Гелий налитый в стакан, поднимаясь по его стенкам, вытекает из него, преодолевая гравитацию.
Другим квантовым явлением в макромире выступает сверхпроводимость. В охлаждённом металле возникают куперовские пары электронов. Это пары электронов с противоположными спинами и импульсами. Такие пары, являющиеся бозонами, находятся в состоянии бозе-конденсата. Оно характеризуется тем, что макроскопическое количество электронов объединяется в единое квантовомеханическое состояние. При охлаждении металла ниже критической точки исчезает сопротивление при движении электронов. Поэтому, если создать замкнутый контур из проводника и охладить его, при этом подведя к нему электрический ток, а затем убрать источник, ток в таком проводнике может существовать неограниченно долго. В настоящее время получены материалы, в которых свехпроводимость возникает при комнатных температурах. Таким образом, явление сверхпроводимости является чисто квантовым явлением, реализуемым в макросостояниях.
Фантастическое будущее
В настоящее время планируются эксперименты, в которых предполагается продемонстрировать другие квантовые явления, происходящие на макроуровне. Одним из таких является демонстрация туннельного эффекта в макромире. Туннельный эффект хорошо изучен на уровне квантовых явлений. Так, если в проводнике с электрическим током поместить тонкую прослойку изолятора, то электроны всё равно пройдут через него, поскольку их положение неопределено. Хотя, наверное, правильнее сказать не пройдут, а «перескочат» или «исчезнут и вновь появятся», потому что пройти через изолятор им невозможно.То же самое происходит и с фотонами. Если разместить на пути света в световоде тонкое зеркало, которое, как известно, не пропускает, а отражает свет, то фотоны всё равно «пройдут» (туннелируют) через него и пронесут с собой информацию, поскольку, согласно соотношению неопределённостей, их положение носит вероятностный характер.
Возможно ли такое на уровне макрообъектов, покажут эксперименты. Паутина квантовых состояний, где всё связано со всем, возможно, будет объяснена исходя из теории голографической реальности, находящейся в первичной структуре мироздания, в которой нет никаких вероятностей, потому что её основы находятся в другой параллельной Вселенной. И вход в неё, после разработки соответствующих методов и технологий, откроет фантастические возможности для нашей цивилизации.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Загадки физики»:
