От мультивселенной до черных дыр — вот ваша шпаргалка по жуткой стороне вселенной.
1. Квантовый мир неоднороден
Квантовый мир имеет много общего с обувью. Вы не можете просто пойти в магазин и выбрать кроссовки, которые идеально подходят к вашей ноге. Вместо этого вы вынуждены выбирать между парами заранее определенных размеров.
Субатомный мир подобен. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за доказательство квантования энергии. Точно так же, как вы можете купить обувь только в количестве, кратном половине размера, так и энергия бывает только в количестве, кратном одному и тому же «кванту» — отсюда и название квантовой физики.
Квант здесь — постоянная Планка, названная в честь Макса Планка, крестного отца квантовой физики. Он пытался решить проблему с нашим пониманием горячих объектов, таких как солнце. Наши лучшие теории не могли сравниться с наблюдениями энергии, которую они выбрасывают. Предположив, что энергия квантуется, он смог аккуратно привести теорию в соответствие с экспериментом.
2. Что-то может быть и волной, и частицей
Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию в 1906 году за открытие того, что электроны являются частицами. Тем не менее его сын Джордж получил Нобелевскую премию в 1937 году за то, что показал, что электроны — это волны. Кто был прав? Ответ - оба. Этот так называемый корпускулярно-волновой дуализм является краеугольным камнем квантовой физики. Это относится как к свету, так и к электронам. Иногда полезно думать о свете как об электромагнитной волне, но в других случаях полезнее представить его в виде частиц, называемых фотонами.
Телескоп может фокусировать световые волны от далеких звезд, а также действует как гигантское световое ведро для сбора фотонов. Это также означает, что свет может оказывать давление, когда фотоны врезаются в объект. Это то, что мы уже используем для приведения в движение космических кораблей с солнечными парусами, и, по словам Расти Швейкарта, председателя Фонда B612, его можно использовать для маневрирования опасного астероида с курса столкновения с Землей.
3. Предметы могут находиться в двух местах одновременно
Корпускулярно-волновой дуализм является примером суперпозиции. То есть квантовый объект, существующий в нескольких состояниях одновременно. Электрон, например, одновременно находится и «здесь» и «там». Только после того, как мы проведем эксперимент, чтобы выяснить, где оно находится, оно переходит в одно или другое.
Это делает квантовую физику полностью основанной на вероятностях. Мы можем только сказать, в каком состоянии скорее всего будет находиться объект, когда мы посмотрим. Эти шансы инкапсулированы в математическую сущность, называемую волновой функцией. Говорят, что наблюдение «схлопывает» волновую функцию, разрушая суперпозицию и переводя объект только в одно из множества возможных состояний.
Эта идея лежит в основе знаменитого мысленного эксперимента с котом Шредингера. Судьба кота в запечатанной коробке связана с квантовым устройством. Поскольку устройство существует в обоих состояниях до тех пор, пока не будет произведено измерение, кот одновременно жив и мертв, пока мы не посмотрим.
4. Это может привести нас к мультивселенной
Идея о том, что наблюдение коллапсирует волновую функцию и приводит к квантовому «выбору», известна как копенгагенская интерпретация квантовой физики. Однако это не единственный вариант на столе. Сторонники интерпретации «множества миров» утверждают, что выбора вообще нет. Вместо этого в момент измерения реальность раскалывается на две копии самой себя: одну, в которой мы переживаем результат "А", и другую, в которой мы видим, как разворачивается результат "Б". Это позволяет обойти сложный вопрос о том, что для того, чтобы что-то происходило, нужен наблюдатель — собака считается наблюдателем или роботом?
Вместо этого, что касается квантовой частицы, существует только одна очень странная реальность, состоящая из множества запутанных слоев. По мере того как мы приближаемся к более крупным масштабам, с которыми мы сталкиваемся изо дня в день, эти слои распутываются в миры теории многих миров. Физики называют этот процесс декогеренцией.
5. Это помогает нам охарактеризовать звезды
Датский физик Нильс Бор показал нам, что орбиты электронов внутри атомов также квантованы. Они бывают заранее определенных размеров, называемых энергетическими уровнями. Когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, он испускает фотон с энергией, равной размеру щели. Точно так же электрон может поглотить частицу света и использовать ее энергию, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.
Астрономы постоянно используют этот эффект. Мы знаем, из чего состоят звезды, потому что, когда мы разбиваем их свет на радужный спектр, мы видим недостающие цвета. Разные химические элементы имеют разное расстояние между энергетическими уровнями, поэтому мы можем вычислить составные части Солнца и других звезд по отсутствующим цветам.
6. Без него не светило бы солнце
Солнце вырабатывает свою энергию в процессе, называемом ядерным синтезом. В нем участвуют два протона — положительно заряженные частицы в атоме — слипшиеся. Однако одинаковые заряды заставляют их отталкиваться друг от друга, как два северных полюса магнита. Физики называют это кулоновским барьером, и он похож на стену между двумя протонами.
Думайте о протонах как о частицах, и они просто сталкиваются со стеной и расходятся: никакого синтеза, никакого солнечного света. Но думайте о них как о волнах, и это совсем другая история. Когда гребень волны достигает стены, передняя кромка уже пробилась. Высота волны показывает, где, скорее всего, находится протон. Так что, хотя это вряд ли будет там, где передний край, иногда оно там есть. Как будто протон пробил барьер, и происходит синтез. Физики называют этот эффект «квантовым туннелированием».
7. Он останавливает разрушение мертвых звезд
В конце концов синтез на Солнце прекратится, и наша звезда умрет. Гравитация победит, и Солнце рухнет, но не до бесконечности. Чем меньше он становится, тем больше материала набивается вместе. В конце концов вступает в действие правило квантовой физики, называемое принципом запрета Паули. Это говорит о том, что некоторым видам частиц, например электронам, запрещено существовать в одном и том же квантовом состоянии. Когда гравитация пытается сделать именно это, она сталкивается с сопротивлением, которое астрономы называют давлением вырождения. Коллапс прекращается, и формируется новый объект размером с Землю, называемый белым карликом.
Однако давление вырождения может оказать только ограниченное сопротивление. Если белый карлик растет и приближается к массе, равной 1,4 солнечной, он запускает волну синтеза, которая разрывает его на куски. Астрономы называют этот взрыв сверхновой типа Ia, и он достаточно яркий, чтобы затмить всю галактику.
8. Это заставляет черные дыры испаряться
Квантовое правило, называемое принципом неопределенности Гейзенберга, гласит, что невозможно точно знать два свойства системы одновременно. Чем точнее вы знаете одно, тем менее точно вы знаете другое. Это относится к импульсу и положению и отдельно к энергии и времени.
Это немного похоже на получение кредита. Вы можете занять много денег на короткий срок или немного наличных на более длительный срок. Это приводит нас к виртуальным частицам. Если у природы «позаимствовано» достаточное количество энергии, то пара частиц может появиться на мгновение, прежде чем быстро исчезнуть, чтобы не расплатиться по кредиту.
Стивен Хокинг представил себе этот процесс, происходящий на границе черной дыры, когда одна частица улетает (как излучение Хокинга), а другая поглощается. Со временем черная дыра медленно испаряется, так как не возвращает всю сумму, которую заняла.
9. Это объясняет крупномасштабную структуру Вселенной
Наша лучшая теория происхождения Вселенной — это Большой Взрыв. Тем не менее в 1980-х годах она была изменена, чтобы включить другую теорию, называемую инфляцией. За первую триллионную долю секунды космос раздулся от меньшего размера, чем атом, до размера грейпфрута. Это в 10 78 раз больше. Раздувание эритроцита на ту же величину сделало бы его больше, чем вся наблюдаемая сегодня Вселенная.
Поскольку изначально она была меньше атома, в младенческой Вселенной преобладали квантовые флуктуации, связанные с принципом неопределенности Гейзенберга. Инфляция заставила Вселенную быстро расти, прежде чем эти колебания успели исчезнуть. Эта энергия концентрировалась в одних областях, а не в других — что-то, по мнению астрономов, действовало как семена, вокруг которых мог собираться материал, чтобы сформировать скопления галактик, которые мы наблюдаем сейчас.
10. Это больше, чем просто «жутко»
Эйнштейн не только помог доказать, что свет является квантовым, но и высказался в пользу другого эффекта, который он назвал «призрачным действием на расстоянии». Сегодня мы знаем, что эта «квантовая запутанность» реальна, но до сих пор не до конца понимаем, что происходит. Допустим, мы сводим вместе две частицы таким образом, что их квантовые состояния неумолимо связаны или запутаны. Один находится в состоянии А, а другой в состоянии В.
Принцип исключения Паули гласит, что они не могут находиться в одном и том же состоянии. Если мы изменим одно, другое мгновенно изменится, чтобы компенсировать это. Это произойдет, даже если мы отделим две частицы друг от друга на противоположных сторонах Вселенной. Как будто информация об изменениях, которые мы произвели, передавалась между ними со скоростью, превышающей скорость света, что, по словам Эйнштейна, невозможно.
Надеюсь, что статья оказалась для вас полезной и интересной. Поддержите автора статьи, подписавшись и ставив лайк :)
Так же в телеграм канале вы можете узнать и увидеть больше
#космос #космос исследования #космос исследование #галактика #наука и космос #квантовая физика