Проще говоря, это физика, которая объясняет, как всё работает. Она даёт лучшее описание природы частиц, из которых состоит материя, и сил, с которыми эти частицы взаимодействуют.
Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы, и почему химия и биология работают именно так. Вы, я и этот столб на воротах — все танцуют под квантовую мелодию (по крайней мере, на каком-то уровне). Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже как солнце продолжает гореть, вам придётся использовать квантовую физику.
Дальше начинаются сложности (а для физиков — самое интересное). Начнём с того, что единой квантовой теории не существует.
Есть квантовая механика — основная математическая база, лежащая в основе всего этого. Она была изначально разработана в 1920-х годах Нильсом Бором (1885 - 1962), Вернером Гейзенбергом (1901 - 1976), Эрвином Шрёдингером (1887 - 1961) и другими. Квантовая механика характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы частиц с течением времени.
Но чтобы понять, как всё работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики — в основном со специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро. Это нужно для того, чтобы создать так называемые квантовые теории поля.
Три разные квантовые теории поля имеют дело с тремя из четырёх фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя.
- Электромагнетизм, который объясняет, как атомы удерживаются вместе.
- Сильное ядерное взаимодействие, которое объясняет стабильность ядра в сердце атома.
- Слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.
За последние пять десятилетий эти три теории были объединены в ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц. Несмотря на впечатление, что эта модель в целом слеплена «на соплях», она даёт наиболее точно проверенную картину работы материи из когда-либо созданных. Эта модель увенчалась в 2012 году открытием бозона Хиггса — частицы, придающей всем другим фундаментальным частицам их массу. Существование бозона Хиггса было предсказано на основе квантовых теорий поля ещё в 1964 году.
Квантовые теории поля хорошо работают при описании результатов экспериментов на ускорителях высокоэнергетических частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, который исследует материю в её мельчайших масштабах. Но если вы хотите понять, как всё работает во многих менее экзотических ситуациях, всё становится только сложнее. Например, как электроны движутся или не движутся в твёрдом материале и, таким образом, превращают этот материал в металл, изолятор или полупроводник?
Мириады взаимодействий в разнообразных средах требуют разработки «эффективных полевых теорий», призванных вскрыть важнейшие детали. Трудность построения таких теорий отвечает на вопрос о том, почему многие важные вопросы физики твёрдого тела пока остаются нерешёнными. Например, почему при низких температурах некоторые материалы становятся сверхпроводниками, пропускающими ток без сопротивления? Почему мы не можем повторить этот трюк при комнатной температуре?
Но за всеми этими практическими проблемами стоит огромная квантовая загадка. На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи о том, как работает материя. Эти вещи полностью расходятся с тем, как всё работает в привычном нам реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы или действовать как волны, распространяясь по всему пространству, или находиться сразу в нескольких местах... Как они выглядят — кажется, зависит от того, как мы их измеряем. До того как мы их измерим, кажется, что они вообще не имеют определённых свойств... Это приводит нас к фундаментальной загадке о природе реальности.
Эта нечёткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кот Шрёдингера, который благодаря неопределённому квантовому процессу остаётся мёртвым и живым одновременно.
Но и это ещё не всё. Квантовые частицы, кажется, могут мгновенно влиять друг на друга, даже когда находятся далеко друг от друга. Это действительно сбивающее с толку явление известно как «квантовая запутанность». Или, как сказал Эйнштейн (великий критик квантовой теории), «жуткое взаимодействие на расстоянии». Такие квантовые возможности кажутся совершенно невероятными, но они являются основой новых технологий, таких как квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.
Что всё это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто согласиться с тем, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем сопоставить с нашим опытом в «классическом» мире. Другие думают, что обязательно должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам ещё предстоит открыть.
При этом, у нас в комнате постоянно остаётся несколько слонов.
Для начала, есть четвёртая фундаментальная сила природы, которую квантовая теория пока что не смогла объяснить. Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна — совершенно «неквантовой» теории, которая даже не включает в себя частицы. Десятки лет интенсивные попытки подвести гравитацию под «квантовый зонтик» и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего» пока что ни к чему не привели.
Затем, космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из тёмной материи и тёмной энергии — вещей, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели.
В некоторой степени мир является «квантовым», но вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым.