О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И Опыт, сын ошибок трудных,
И Гений, парадоксов друг…
Эти строчки великого поэта были написаны в начале XIX века. Казалось бы, в XXI веке – в эпоху технического прогресса, когда человечество запустило адронный коллайдер, слетало в Космос, создало Искусственный Интеллект, расшифровало геном человека – не может быть «белых пятен» в науке.
Однако есть одна область научных исследований, которая приготовила для людей много «открытий чудных». И порой эти открытия «ломают» стереотипные представления о построении мира и его законов.
Это квантовая физика - одна из самых захватывающих и загадочных областей науки. Именно она привела к созданию множества теорий и законов, которые определяют, как работает наша Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Несмотря на способность квантовой теории объяснять результаты экспериментальным путем, многие ученые признают, что квантовая физика настолько сложная, что познать её едва ли удастся.
«Я не могу определить реальную проблему, поэтому подозреваю, что реальной проблемы нет, но я не уверен, что нет никакой реальной проблемы», - так сказал о загадочных парадоксах квантовой физики американский учёный Ричард Фейнман.
Никола Тесла в своё время признавался: «Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял».
Так чего же необъяснимого, загадочного и «страшного» скрывает в себе этот раздел фундаментальной науки?
Будучи разделом физики, квантовая механика изучает наш мир на самом глубинном уровне (молекулярном, атомном, ядерном и даже меньше). И если обычная физика объясняет видимые законы мира, то квантовая рассказывает, как устроен мир за пределами нашего обыденного понимания — на уровне космоса и самых малых частиц.
Квантовый мир подчиняется совершенно иным законам, чем мир, описываемый ньютоновской физикой. В этом мире, в отличие от привычного нам порядка вещей, яблоко, даже если оно висит вверху, необязательно потом упадет вниз. В мире квантов это яблоко может «упасть» вверх, или вообще появиться из ничего.
«Квантовая физика сломала шаблон предыдущей структуры, классической физики, установив, что предсказания науки обязательно являются вероятностными», - писал Брайан Грин.
Согласитесь - непонятно и, действительно, немного пугающе!
Давайте рассмотрим некоторые из самых знаменательных экспериментов и открытий в истории квантовой физики.
Двухщелевой эксперимент
Этот эксперимент показал, что свет и материя могут вести себя как частица и волна одновременно.
Опыт с двумя щелями был проведен английским ученым Томасом Юнгом впервые в 1803 году. Он продемонстрировал его как подтверждение, что свет — это волна, а не поток частиц. Впоследствии эксперимент Юнга повторяли другие ученые с разными объектами: электронами, отдельными фотонами и молекулами. Этот опыт - классическое доказательство того, что свет и материя могут вести себя как частица и волна одновременно.
А ещё частицы способны располагаться в разных точках пространства и состояниях одновременно. Такой феномен носит название суперпозиции.
Также на состояние частицы влияет наличие наблюдающего. Этот парадокс называют «эффект наблюдателя», и он означает, что в зависимости от присутствия или отсутствия смотрящего электроны могут вести себя как частицы или волны.
Квантовая запутанность
Было доказано, что, если 2 квантовые частицы (ими могут быть электроны, фотоны) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то связь сохраняется, даже если их разнести в разные части Вселенной.
Квантовая запутанность – это реальность. Квантовые частицы могут быть связанными несмотря на огромные расстояния. Состояние одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от неё второй частицы так, как если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественная связь на расстоянии происходит даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий (слабого, сильного, электромагнитного, гравитационного).
Кстати, в 2022 году Нобелевскую премию по физике получили француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер. Они внесли, по мнению Нобелевского комитета, новое понимание в то, что известно как «квантовая запутанность».
Исследования, проведенные этими учёными, помогут использовать особые свойства квантовых частиц на практике. Благодаря этому в будущем можно будет строить более совершенные компьютеры, проводить более точные измерения, создавать квантовые сети и защищённые от несанкционированного доступа каналы связи.
Квантовая неопределенность
На квантовом уровне результат измерения величин носят вероятностный характер.
Была выявлена зависимость результата опыта от акта измерения, наиболее ярко представленная в виде мысленного эксперимента под названием «кот Шрёдингера».
Опыт является мысленным. Его суть в том, что в коробку помещают кошку, а рядом с ней ампулу с ядовитым газом. Распад атома влечет разрушение ампулы и смерть кошки. Если распада атома не происходит, то ампула остается целой, а кошка живой. Вероятность, что распад атома произойдет в течение часа, составляет 50%.
В реальном мире существует однозначный ответ: животное или живёт, или умирает. Но квантовый мир говорит, что не всё так просто. Субатомные частицы существуют в двух разных состояниях и местах одновременно. Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Но как только мы откроем крышку и посмотрим внутрь — альтернатива исчезнет. Факт наблюдения определит окончательные результаты.
В квантовой механике эту «способность» кошки быть живой и мертвой до тех пор, пока её не наблюдают, называется квантовой неопределенностью или парадоксом наблюдателя.
Квантовый туннельный эффект
Квантовый туннельный переход можно рассматривать как своего рода «утечку» или «просачивание» частицы через потенциальный барьер, после чего частица движется прочь от барьера.
Квантовое туннелирование — это способность частиц проникать за энергетический барьер, величина которого превышает энергию этих частиц. Это, как если бы мы могли пройти сквозь кошачью дверцу.
Это одно из самых потрясающих предсказаний квантовой теории. На атомном уровне оно имело феноменальный успех. Туннелирование, или квантовый скачок через препятствия, выдержало все испытания в лабораторных условиях.
Квантовые объекты проявляют свойства как частицы, так и волны, находятся в постоянном движении и не имеют определённого местоположения и импульса, пока их не измеришь. Лучше всего представлять квант как облако вероятностей, более плотное в середине и разреженное по краям. Когда это облако сталкивается с барьером, основная его часть отражается, но какая-то доля вероятностей проходит сквозь и оказывается с другой стороны, даже если у частицы недостаточно энергии, чтобы перескочить барьер.
Без туннелирования сейчас трудно представить себе мир. Туннельный эффект уже давно применяется в работе некоторых приборов: специальных туннельных микроскопов, туннельных диодов, флэшек и т.д. Туннелирование используется при стирании информации с флэшки, поэтому запись на неё длится дольше, чем считывание.
Так если туннелирование происходит даже в наших телах, что же мешает нам самим проходить сквозь стены? В конце концов, разве квантовая физика не говорит, что «всё есть волна»? Звуковые волны, например, легко преодолевают твёрдые преграды. А мы почему так не умеем?
Очевидно, на практике туннелирование макроскопических объектов сквозь стену невозможно. Проблема здесь не только в электромагнетизме и толщине стены. Проблема в массе самого объекта. Чем она больше, тем меньше вероятность туннелирования. На сегодняшний день самое большее, что физики могут заставить туннелировать – это атом водорода, состоящий из протона и электрона.
А что же по поводу квантовой телепортации?
Оказывается, телепортация действительно возможна, но это перемещение не самого объекта, а квантового состояния, т.е. информации. В 1997 году телепортация впервые получила экспериментальную реализацию. Следующие эксперименты были направлены на увеличение расстояния телепортации, телепортацию более сложных объектов (атомов). В 2017 году китайские учёные успешно телепортировали состояние фотонов между двумя лабораториями, которые находятся на расстоянии 1200 км.
А можно ли телепортировать человека? Ответ – нельзя!
Во-первых, человек состоит из невероятно большого числа атомов 10/28 - каждый из которых нагрет до температуры 310K. Для передачи всей информации о человеке необходимо провести огромное количество измерений и записать это в цифровом формате, что составит огромный объем - 10/22 Гб.
Даже при наличии мощнейшего суперкомпьютера, способного обрабатывать такое количество данных, передача этой информации займет больше времени, чем возраст нашей Вселенной. Это физический барьер, который нам пока трудно преодолеть.
Однако, даже если мы преодолеем физические преграды, мы столкнёмся с теоретическим ограничением - теоремой о невозможности клонирования. Она запрещает одновременное существование двух копий одной и той же информации. Квантовую систему в принципе невозможно скопировать, не разрушив её. При телепортации придётся уничтожить исходный объект и собрать его полную копию в другом месте из других частиц.
Таким образом, не только физический аспект, но и теоретические ограничения делают телепортацию человека невозможной в настоящее время.
Кстати, хорошей аналогией квантовой телепортации является 3D-принтер под названием Scotty, который сканирует «телепортируемый» предмет, разрушая его, а затем распечатывает в другом месте. Рискнули бы вы войти в такой телепорт? Даже если когда-нибудь он и будет построен, вряд ли хоть кто-нибудь в здравом уме захочет им воспользоваться. В идеале «распечатанный» двойник сохранит все воспоминания оригинала и скажет, что он и есть оригинал. Но будет ли двойник тем же самым человеком – вопрос риторический, проверить это никак нельзя. И пока он вообще не актуален, так как физикам, как говорилось ранее пока удавалось телепортировать квантовое состояние всего лишь нескольких атомов.
Итак, согласитесь – много «открытий чудных» приготовила нам квантовая физика.
А сколько неожиданных выводов можно сделать на основе этих открытий!
Элементарные частицы связаны как единое целое по всей вселенной и взаимодействуют между собой мгновенно, с бесконечной скоростью. Из теории квантовой сцепленности выводится постулат, что вся существующая материя является единым конгломератом, одним организмом.
Из-за того, что частицы могут возникать из пустоты и внезапно исчезать, учёные допускают возможность существования параллельных вселенных (многомировая интерпретация вселенной - мультивселенная). Возможно частицы переходят из одного слоя вселенной в другой. Вселенная напоминает матрёшку, которая состоит из множества матрёшек - слоев. Это варианты вселенных - параллельные миры. Те, что расположены рядом - очень похожи. Но чем дальше слои друг от друга - тем меньше между ними сходства. Теоретически, для того, чтобы переходить из одной вселенной в другую, не требуются космические корабли. Все возможные варианты расположены один в другом.
Всё возникает из пустоты. Всё находится в движении. Предметы - иллюзия. Материя состоит из энергии. Всё создается мыслью. Но эти открытия квантовой физики не содержат ничего нового. Всё это было известно древним мудрецам. Во многих мистических учениях, которые были доступны только посвященным, говорилось, что нет никакого различия между мыслями и предметами. Все в мире наполнено энергией. Вселенная реагирует на мысль. Энергия следует за вниманием. То, на чем ты фокусируешь свое внимание, начинает изменяться.
В квантовой физике огромное значение придается тому, что все мы оказываем влияние на мир. Поэтому каждый человек, каждая его мысль важна. Ведь все мы наблюдатели, а значит, взаимодействуем между собой, несем ответственность за изменения.
Как живые существа, мы обладаем прямым доступом ко всему сущему и фундаменту всего физически существующего. Это нам позволяет сознание. «Мы создаем реальность» означает в данном контексте то, что наши мысли создают перспективу того, что мы есть в нашем мире.
«Я считаю сознание фундаментальным. Я считаю материю производным от сознания. Мы не можем оставаться без сознания. Всё, о чем мы говорим, всё, что мы видим как существующее, постулирует сознание», говорил Макс Планк - лауреат Нобелевской премии и пионер квантовой теории.