Дополнительные материалы к интервью Матильды О'Доннел Макэлрой с пришельцем, выжившим в кораблекрушении в пустыне Нью-Мексико вблизи базы ВВС США «Розуэлл» в 1947 году.
Предыдущие части: Часть 1, Часть 2, Часть 2а, Часть 3, Часть 4, Часть 5, Часть 6, Часть 7, Часть 8.
«Версия» (пересказ «Интервью с пришельцем») Часть 8а. Кванты
Квант — минимально возможное значение физической величины. Квантами называют неделимые «элементарные» частицы. Сейчас это фотоны, электроны, кварки и пр.
Принцип неопределённости
Для того, чтобы понимать принцип неопределённости, необходимо провести параллель и выявить разницу между измерениями классическими и в квантовом мире.
Когда мы используем какой-либо измерительный прибор, мы изменяем неким образом его состояние, и по степени изменения этого состояния определяем, насколько это большая или маленькая величина. Например, в термометре увеличится объём жидкости на столько, на сколько повысилась температура среды. Измеряем массу — на сколько сильно растянулась пружина, на столько на безмене большой груз.
Классическое измерение мы можем проводить сколько угодно раз (температуру измерять с помощью градусника хоть каждую минуту) и от этого ни температура, ни другие параметры поменяться не могут. То есть классическое измерение никак не влияет на измеряемую величину.
Но если учёные переходят к наблюдению за мельчайшими, такими как электрон, объектами, то тогда влияние наблюдателя становится заметным. Возникает такое понятие, как квантовое измерение. Когда самим же процессом измерения экспериментатор искажает результат. Например, есть пушка, которая стреляет электронами. Нужно определить скорость электронов. Как найти скорость, наверняка, помните (расстояние поделить на время). Определяем путь, пройденный электроном за некое время с помощью фотографирования отрезка:
Видим на изображении положение электрона, знаем, когда по времени сделали снимок (за сколько долей секунд после вылета электрона из пушки), поделим одно на другое — получим скорость.
Но вот в чём парадокс. Как изображение электрона оказалось в нашем фотоаппарате — снимок сделан с фотовспышкой. Чтобы увидеть объект, необходимо его осветить: чтобы свет попал, отразился и обратно вернулся на сетчатку глаза (или на объектив фотоаппарата). Соответственно, когда частица света, которая освещала электрон, бомбардирует его, она может часть энергии отдать или, наоборот, часть энергии от него забрать. Всё равно как-то с ним провзаимодействует.
После того как мы осветили электрон, он уже летит не со своей скоростью, а с другой, потому что у него другая энергия. И возникает вопрос: «А что мы измерим?» Получается, во-первых, что самим измерением мы изменили скорость электрона, а, во-вторых, что максимально точно эту скорость измерить никак не получится. И это является следствием так называемого принципа неопределённости, которое выражается соотношением неопределенности:
где дельта x — погрешность измерения координаты, дельта p — погрешность импульса. Импульс — физическая величина, равная произведению массы электрона (9,10⁹ 383 7015(28)⋅10⁻³¹ кг (абсол.)) на полученную в эксперименте скорость.
И оказывается, что произведение двух этих погрешностей никогда не может быть меньше, чем некая постоянная величина, так называемая постоянная Планка (6,626 070 15⋅10⁻³⁴ Дж·с). Не смотря на то, что постоянная Планка величина очень маленькая, когда идёт измерение таких мизерных объектов, как кванты, она имеет значение. Оказывается в природе существует фундаментальное ограничение на точность наших экспериментов.
Принцип неопределённости также показывает, что есть погрешность времени и погрешность энергии (формула выше). Проведём ещё один опыт. Возьмём очень маленький кусочек пространства, заполненного вакуумом, и измерим его энергию. Сколько мы получим? Если там ничего нет, получим 0, но, согласно формуле, 0 с погрешностью дельта E. Далее, чем меньше мы берём время, за которое проводим измерение, тем погрешность ΔE будет больше. И, на каком-то этапе, если возьмём очень-очень маленький промежуток времени, погрешность энергии станет настолько большой, что из этой энергии по формуле E=mc² может появиться частица (такие частицы называют виртуальными).
Получается, что если вы считаете, что вакуум — это пустое пространство, вы застряли в мировоззрении прошлого века. На самом деле вакуум заполнен постоянно появляющимися и исчезающими частицами. Их невозможно обнаружить, потому что они существую экстремально короткое время Δt. Эти частицы берут взаймы у пространства энергию, появляются, короткое время существуют и исчезают, возвращая энергию обратно:
Квантовая суперпозиция
Представьте эксперимент, где мы стреляем из электронной пушки, у нас есть ловушка для частиц и в ней два слота: слот А и слот Б:
Мы предполагаем, что, когда частица попадает в ловушку, она может быть либо в слоте А, либо в слоте Б. Но оказывается, что в квантовой физике, если существуют два состояния (А и Б), то теоритечески существует и третье состояние — смесь двух состояний А и Б, когда частица находится одновременно в обоих этих положениях:
И это «странное» состояние называется суперпозицией, когда мы в нескольких местах одновременно. У него есть феноменальная особенность: суперпозиция очень хрупкая и как только мы попытаемся узнать, а где же находится частица — в А, в Б или в смеси, то, если она находилась в смеси состояний, частица мгновенно перепрыгивает в какое-то одно конкретное (в А или в Б). Получается, что положение суперпозиции невозможно увидеть.
Эксперименты показали, что частицы могут существовать в нескольких местах одновременно. Но только наблюдатель начинает производить измерение — всё схлопывается Это называют коллапсом волновой функции.
Также опыты доказали, что у частиц нет определённой траектории движения (то есть невозможно предсказать направление частицы, как, например, для пушечного ядра) и что нахождение частицы в пространстве невозможно определить, а можно только предсказать с некоторой долей вероятности.
В атоме в стационарном состоянии у электрона есть свойство обладать определённой энергией, но нету свойства занимать определённое положение в пространстве.
д.ф.-м.н. Алексей Семихатов
Параллельные вселенные
Из постулатов квантовой физики следует, что существует множество параллельных вселенных. Это иллюстрирует выше описанный казус наблюдателя. Непонятно, если у нас есть частица в состоянии суперпозиции, почему наблюдение за ней эту суперспозицию разрушает. Как это происходит? Неужели это делает измерительный прибор или сам наблюдатель меняет реальность? И долгое время у физиков не было ответа на этот вопрос. В 50-е годы появилось предположение — многомирова́я интерпрета́ция (англ. many-worlds interpretation) или интерпретация Эверетта.
Данная интерпретация не создаёт каких-либо новых законов, но может служить объяснением данного феномена. Итак, когда экспериментатор производит наблюдение и обнаруживает частицу либо в состоянии А, либо в состоянии Б, то происходит следующее: это не электрон перепрыгивает в одно из двух определённых состояний из суперпозиции, а экспериментатор запутывается с ним и возникает две версии наблюдателя.
Одна версия экспериментатора видит электрон в состоянии А, а другая — в состоянии Б. Следственно, с этого мгновения существуют два человека, каждый в своей реальности, которые далее уже никак не пересекаются. Обратно слиться они не смогут и получается, что они становятся параллельными:
Развивая эту мысль, получаем, что существует множество параллельных вселенных, в каждой из которых есть параллельный «я». То есть, с определённой степенью вероятности, каждый из нас сам может оказаться либо одной версией, либо другой (интересно какой процент у «лучшей версии себя» 😅). Как далеко вас заводят фантазии относительно того, каким вы можете быть в разных параллельных мирах?
Кстати, почему такие версии возникают наглядно описано здесь и показано в эксперименте Стивена Хокинга.
Квантовая теория поля
Квантовая теория поля предполагает, что вся Вселенная заполнена квантовыми полями и возмущения на этих полях — это и есть частицы. Представьте одеяло, под которым ползёт кот: тогда одеяло — поле, а движение кота под ним, возмущения, — частицы. Естественно это поле не плоское, а трёхмерное.
Существует 17 таких полей, которые соответствуют каждой элементарной частице:
И можно сказать, что с одной стороны во Вселенной огромное количество галактик, звёзд, планет, существ на этих планетах — невообразимо огромное количество объектов. Но, с другой стороны, Вселенная состоит всего лишь из 17 полей. Возмущения же на этих полях и есть частицы, из которых состоит всё, в том числе мы с вами:
Ничего не напоминает? 😂
Бозон Хиггса является доказательством того, что существует поле Хиггса, возмущением которого эта частица является. И поле Хиггса задаёт весь тон Вселенной и лежит в основе всего сущего. Оно является самым важным среди семнадцати квантовых полей, так как поле Хиггса наделяет частицы массой. Если бы не было поля Хиггса, все частицы были бы безмассовыми и летали бы со скоростью света (такие бешеные галактические попрыгунчики).
Но когда включилось поле Хиггса, а это случилось сразу же после Большого взрыва и возникновения Вселенной, то все элементарные частицы как будто бы начали вязнуть в нём, как в патоке, и замедляться. И замедлившись, они смогли склеиться в протоны, в нейтроны, объединиться в атомы, в молекулы и в нечто более крупное, как в нас с вами. Соответственно, именно благодаря включению поля Хиггса, мы и имеем такой красивый мир, который нас окружает.
Невероятно! Благодарю за представленную информацию Дмитрия Побединского, на основании лекции которого написана эта статья. И добавлю, что данные, полученные от пришельца, не противоречат известным современной науке представлениям об устройстве этого мира.
В следующей статье я вернусь к интервью с инопланетянином Эйрл. Будет ещё интересней 🔥 Подписывайтесь, чтобы не пропустить. Пишите комментарии, отправляйте ссылку друзьям.
