"Если плохо учить физику в школе, то мир будет казаться полным чудес", - пожалуй, эту весёлую фразу слышали многие из вас. Квантовая механика - ныне популярный и интересный раздел физики, довольно трудный, но понять, что происходит во Вселенной на квантовом уровне хочется многим, и в связи с тем, что на первый взгляд там всё кажется странным и чем-то фантастическим, её нередко шутливо называют "волшебством". Самый распространённый пример такого "волшебства" - это эффект наблюдателя, в котором мы и попробуем разобраться!
Квантовая физика позволяет взглянуть на мир несколько иначе, с другого угла. Она показывает нам, что не только материя и физические поля являются его фундаментом. Начнём с самой основы - кванта, чтобы понять всё остальное.
Квант - это неделимая порция величины в физике (например, поля или энергии). Главное, не спутать кванты с кварками (субатомная частица, находящаяся внутри протонов и нейтронов). Кварки сами по себе не существуют, они находятся в составе чего-либо. А кванты - это импульсы чего-либо. К примеру, фотон - это импульс (возмущение) энергии. Не может быть половины фотона или его части. Он всегда - единый и неделимый квант света.
Само понятие кванта ввёл ещё немецкий физик Макс Планк, когда пытался теоретически описать излучение, испускаемое нагретыми телами. Он выяснил, что атомы излучают энергию определенными порциями - эти порции и есть кванты. Квант - это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом.
Идея квантовой физики состоит в изучении невидимых элементарных частиц, из которых состоит наш мир. Частицы эти ведут себя по особым законам, отличающихся от тех, к которым мы привыкли, например, они могут вести себя как волны и проходить сквозь стены, или как частицы.
Если в классической механике мы можем рассчитать положение в пространстве и траекторию, скорость движения и время перемещения объекта, то с квантовыми частицами такое уже не провернуть. Они, грубо говоря, летают как хотят, куда хотят, и четкой траектории движения у них не может быть вовсе. Невозможно сказать, где окажется частица через какое-то время, мы можем лишь вероятностно прикинуть, где ее можно искать. Пока их не ищешь, они ведут себя как волны и "размазаны" по всей Вселенной. Но стоит начать за ними наблюдать, как они сразу ведут себя "порядочно", как подобает частицам.
Именно в этом и заключается принцип квантово-волнового дуализма, согласно которому кванты могут себя вести как волны и как частицы.
А вот и самое основное "волшебство" квантовой механики:
Суть эксперимента в том, что у нас есть источник света, установка с двумя щелями и экран с поглощающим материалом, на котором мы увидим полосы света. Если есть наблюдатель, то картинка будет ожидаема: 2 щели - 2 полосы света. Но стоит наблюдателю отвернуться, как мы обнаружим на экране с поглощающим материалом, что полос больше, чем должно быть! То есть, в присутствии наблюдателя частицы ведут себя как частицы, а без наблюдателя - хаотически, как волны. "Волшебство" в том, что мы меняем поведение частиц лишь тогда, когда за ними "подглядываем" - вот он, эффект наблюдателя! Мы меняем физическую реальность одним взглядом. Как будто эффект матрицы: область, на которую пользователь не обращает внимания, обрабатывается иначе хотя бы ради экономии энергии, ведь зачем стараться, если всё равно пользователь туда не смотрит?! Вот когда пользователь обратит внимание, то и расчёты будут более точными!
Как бы учёные ни старались подглядывать за частицами при помощи разнообразных хитрых приспособлений (например, пытались определить, через какую именно щель пройдёт электрон, подсвечивая его светом), а картинка получалась во всех случаях одна и та же, и до сих пор нет объяснения этой странной двойственности. Немецкий физик - теоретик Вернер Гейзенберг посчитал, что такое поведение частиц - это особое фундаментальное положение частиц, тайну которого разгадать у нас априори не получится, и сформулировал свой знаменитый Принцип Неопределённости: невозможно соорудить аппарат для определения того, через какое отверстие проходит частица, не возмущая частицу до такой степени, что интерференционная картина пропадает. Если аппарат способен определить, через какую щель пройдёт частица, он исказит движение ее частицы. То есть, чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Например, чем точнее мы измерим положение частицы в пространстве, тем менее точным будет оценка ее скорости, и наоборот. А нельзя просто так взять, и чтобы было всё и сразу! И это фундаментальное соображение, как особый закон квантовой механики.
Но неужели даже частицы нуждаются в наблюдении за ними? Или мир устроен ещё сложнее? Если вокруг нас есть определенное информационное поле, то через это поле буквально от наблюдателя сообщается информация частице, и сам процесс наблюдения контролирует её своей энергией, которую мы пока сами не умеем улавливать. Что же происходит на самом деле - пока неясно, но и "волшебством" это называть точно пока рано.
Если учёным когда-нибудь удастся разгромить Принцип Неопределённости и узнать, что за ним стоит (ведь наверняка даже в квантовом мире должна же быть какая-то причинно-следственная связь!), то это будет новое окно в мир природы элементарных частиц!
#квантовая механика #квантовая физика #эффект наблюдателя #научно-популярное #физика #наука
Вам может быть интересно:
А знаете ли вы, как работает квантовый телепорт?
Природа вселенской пустоты: что такое вакуум?
Парадокс стержня и сарая в Теории относительности Эйнштейна
Ну очень горячо! Планковская температура
Необычные свойства конденсата Бозе - Эйнштейна
Кто постареет быстрее: парадокс близнецов
Есть ли способ уничтожить чёрную дыру?
Вселенная - всего лишь чей-то мозг?
Лучи смерти: что за оружие придумал Никола Тесла?
Доказательства виртуальности нашего мира