Квантовый мир является для современного человека все еще загадкой: ни заглянуть в него, ни пощупать… Все теории строятся на умозрительных экспериментах, догадках и являются постулатами.
- А как же многочисленные исследования? Дорогостоящие проекты? Научные труды и научные сообщества? – спросите вы.
В ответ на это можно процитировать слова очень хорошего физика Эрнеста Резерфорда:
Читая статьи по квантовой физике, стараясь разобраться в сути происходящих в квантовом мире явлений и насколько им соответствуют общепринятые концепции, понимаешь, что уборщице еще не скоро станет все понятно.
На сегодняшний день официальная физика так и не рассказала нам, что такое масса, пространство, гравитация, время. Есть множество предположений и нет стройной понятной теории.
Ситуация напоминает вот эту:
Но не все так плохо. Разобраться все же можно. Для этого надо вернуться к первоисточникам квантовой физики и посмотреть, что именно в них имелось в виду.
4 век до н.э. (не удивляйтесь). Именно тогда человечество встало перед выбором одной из двух концепций. Первая концепция принадлежала Демокриту. По легенде, он сидел на камне у берега моря, держал в руке яблоко и рассуждал: «Если я буду делить это яблоко много раз, то в конечном итоге я всегда буду получать кусок яблока? Или есть предел этого деления, когда я получу частичку, уже не обладающую свойством яблока?». После долгих размышлений он признал, что существует предел деления, при котором получается универсальная неделимая частичка, и назвал эту частичку «атом».
Вторая концепция принадлежит Аристотелю. Он утверждал, что яблоко можно делить до бесконечности, и оно всегда будет оставаться яблоком. Кто победил? Победил Аристотель со своим непререкаемым авторитетом в то время. И человечество вспомнило об атомах только через 2000 лет. Впечатляющий промежуток простоя.
Сейчас уже можно легко посчитать, зная размеры молекул, что Демокрит уже после 90 делений держал бы в руке не яблоко, а универсальный строительный материал – молекулу. И времени у него ушло бы на это не больше получаса.
2 тысячи лет спустя. 19 век н.э.
Шотландский ботаник Роберт Браун четыре года провел в экспедициях по Австралии и привез оттуда коллекцию около 4 тыс. видов растений, которую на протяжении 20 лет он изучал и систематизировал. Затем растения закончились, осталась одна пыльца. Растворив небольшое количество пыльцы в капле воды, он решил рассмотреть ее под микроскопом. И это оказался судьбоносный момент в истории человечества. Браун увидел, что мельчайшие частички пыльцы двигаются. Но почему? Объяснение этому явлению дали не сразу. Только спустя 40 лет оформилось представление о том, что пыльцу толкают крохотные невидимые частицы жидкости. Так ботаник Браун получил первые доказательства того, что прав был Демокрит, а не Аристотель. Деление яблока – это не бесконечный процесс. Теперь во всех учебниках физики написано, что все вещества имеют прерывистое, дискретное строение, то есть состоят из мельчайших частиц, которые постоянно и хаотично двигаются.
1900 год
В этом году немецкий физик Макс Планк, изучая спектр абсолютно черного тела (очень занимательный объект теоретической физики), представил мировой науке свою формулу зависимости энергии излучения от его частоты.
По официальной версии, эту формулу он угадал. Такое тоже, оказывается, в научном мире бывает. Особенно впечатляет угадывание значения постоянной Планка h (смотри на картинке). Планк представил формулу на заседании немецкого физического общества 27 октября 1900 года, и она оказалась совершенно рабочей в описаниях спектра абсолютно черного тела. Но для того, чтобы теоретически как-то обосновать формулу, Планку пришлось предположить, что излучение испускается порциями (квантами). Другими словами, мир энергии, как и мир материи, тоже прерывист, то есть дискретен.
Середина 20 века
Зная предшествующую историю, уже не удивляешься тому, что следующим вопросом для дискуссий в науке стал вопрос о прерывности или беспрерывности пространства и времени.
Существует ли наименьшая неделимая единица пространства и времени? Если да, то наше пространство представляет из себя ячеистую структуру, размер ячейки которой и есть наименьшая длина. А наименьшая целая единица времени никак не зависит от периода обращения Земли вокруг Солнца, так как она должна быть единой для всей Вселенной.
Далее, если пространство имеет ячеистую структуру, то движение в нем на уровне микромира должно происходить скачками, из одной ячейки в другую. И вот здесь хочется сделать небольшой экскурс в прошлое, чтобы отдать должное тому, кто был у истоков этой мысли в Европе.
17 век
Именно тогда на просторах зарождающейся науки вели дискуссии Христиан Гюйгенс и Исаак Ньютон. Это были люди совершенно разные по происхождению, воспитанию, образованию и складу характера. Поэтому дискутировал Гюйгенс с Ньютоном не очень долго. «С хамами не разговариваю», - так на современном языке можно выразить отношение Гюйгенса к Ньютону и прекращение дискуссий.
Из обширнейшей научной биографии Гюйгенса нам интересно то, что он признавал и обосновывал волновую природу света (свет – это волна) и утверждал, что свет передвигается скачками, которые передаются от одних элементов эфира к другим. И, конечно же, существует эфир как светоносная среда. Модель эфира Гюйгенса знаменитый физик Джеймс Максвелл считал самой лучшей.
Ньютон утверждал, что свет состоит из корпускул (частиц, похожих на теннисные шарики), что двигаются они равномерно и прямолинейно в непрерывном пространстве, что все световые явления основаны на силовых взаимодействиях этих частиц между собой и окружающей средой и могут быть объяснены геометрией. Так Исаак Ньютон готовил почву для дальнейших постулатов и умозаключений вплоть до нашего времени. Кто победил в результате? Исаак Ньютон.
И снова о яблоке
Волновая природа света была забыта более чем на 100 лет, а эфир был исключен из физики последователем Ньютона Альбертом Эйнштейном.
В современное время все дискуссии о квантовании (прерывистости) пространства-времени сводятся к несокрушимым вопросам оппонентов: «А что вы подразумеваете под понятием «пространство» или «время»? Что это? Вон у нас сколько пространств: Евклидово, Минковского, метрическое, топологическое и т.д. Дайте конкретное определение!». Но почему-то, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности и обосновал закон всемирного тяготения геометрическим искривлением пространства, ему таких вопросов не задавали.
Теория Эйнштейна о пространстве и взаимодействии тел в нем примерно такова: любое тело, имеющее массу, растягивает сетку пространства. И чем больше масса тела, тем глубже сетка растягивается. Более мелкие тела, попадая в образовавшуюся воронку, просто вращаются в ней и не могут ее покинуть без определенной скорости. По сути Эйнштейн заменил силу гравитационного взаимодействия на движение в искривленном геометрическом пространстве (это примерный аналог такого упрощенного мышления, которое в древности заявило о том, что Земля – плоская).
Что это за сетка, из чего она состоит – никто не знает. Считается, что мы это не понимаем, а недосягаемый гений Эйнштейна знал, но молчал. Причем растягиваться сетка может до бесконечности. Вам это не напоминает деление яблока?
Более того, такая геометрическая деформация пространства была положена в основу теории «черных дыр» во Вселенной, о которых не слышал разве только самый ленивый. когда из образовавшейся очень глубокой воронки не может вырваться даже луч света.
Кто же ее образовывает? Сверхмассивные погасшие звезды. Как это происходит? Они «схлопываются» (что это?) под действием своей массы до мельчайших размеров и образуют о-о-очень глубокие воронки. Где мы их можем видеть? Например, в центрах галактик. Почему мы еще тогда живы в таких воронках? А кто его знает …А как же фундаментальный закон сохранения энергии, если в черную дыру все заходит и ничего не выходит? И почему наша Вселенная расширяется с ускорением, а не пожирается этими объектами? И как можно сжимать бесконечно массу, игнорируя межатомные расстояния и взаимодействия? Не стоит об этом … беспокоиться.
Вот так квантовый мир влияет даже на то, как мы смотрим на звезды.
Сейчас уже на дворе 21 век, и о квантовании пространства-времени научный мир вспоминает изредка. Например, на вопрос «Существует ли квантование времени?» Джон Баэз, сотрудник математического факультета Калифорнийского университета и один из модераторов онлайн-группы новостей sci.phisics.research отвечает так: "Краткий ответ на этот вопрос таков: "Никто не знает". Конечно, нет никаких экспериментальных доказательств в пользу такой минимальной единицы. С другой стороны, против этого нет никаких доказательств, за исключением того, что мы еще не нашли их. Не существует хорошо проработанных физических теорий, включающих фундаментальную единицу времени, и существуют существенные препятствия для того, чтобы сделать это способом, совместимым с принципами Общей теории относительности».
Вот так Общая теория относительности Эйнштейна стала камнем преткновения в квантовании пространства-времени, и в науке прочно укрепилось понятие о «бесконечности». Например, в теории Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, в начальный момент времени была точка с бесконечной плотностью и температурой и бесконечной кривизной пространства-времени, в теории «черных дыр» в центре такого объекта находится область с бесконечно сжатым пространством и временем.
А может, яблоко нельзя делить до бесконечности? Может быть, тогда парадоксы квантового мира найдут свое простое решение, и картина мира станет ясной, понятной и готовой к использованию на благо человечества?
Давайте рассмотрим Квантовый парадокс Зенона – одно из интереснейших наблюдений современной физики. Впервые он был предсказан в 1957 году в работах советского физика Леонида Халфина. Если говорить о нем простым и доступным для понимания языком, то «чем чаще мы регистрируем информацию о системе, тем система стабильнее», или «наблюдение за процессом на квантовом уровне «замораживает» физический процесс», или «если постоянно осуществлять наблюдение за нестабильной квантовой частицей, то она никогда не сможет распасться», или …. Формулировок этого парадокса много, но суть все же в том, что возможно «замораживать» физические процессы с помощью наблюдений или измерений.
Это как?... И при чем тут Зенон?
Вернемся в 5 век до н.э. Именно тогда в Древней Греции жил и размышлял над проблемами пространства и времени философ Зенон. После себя он оставил как плод своих размышлений несколько апорий (утверждений), которые спустя две с половиной тысячи лет до сих пор обсуждаются современными мыслителями. Согласитесь, что это очень весомый результат прожитой жизни!
Из этих апорий нас интересует парадокс «Летящей стрелы».
В современной интерпретации он звучит примерно так: «стрела, выпущенная из лука, остаётся неподвижной, так как в любой момент времени она покоится, не совершая перемещения. Если в каждый момент времени стрела покоится, значит она всегда находится в состоянии покоя и не движется вообще, так как нет момента времени, в который стрела перемещается в пространстве».
Чем вам не замораживание физического процесса?
За 2,5 тысячи лет никто логически не может опровергнуть эту формулировку.
Наиболее знаменитым критиком этой апории был (не удивляйтесь) Аристотель. Но если с Демокритом он справился легко, то опровергнуть Зенона оказалось сложнее. Однако и здесь суть критики сводилось к тому, что нельзя разделить время или пространство на сумму неких изолированных неделимых моментов.
А теперь давайте предположим, что вопреки Аристотелю это сделать можно. Тогда пространство будет представлять из себя множество ячеек, каждая из которых имеет наименьшую длину. Делить дальше эту длину до бесконечности невозможно (как и яблоко). Любое движение – это перемещение из одной точки пространства в другую. А теперь давайте заменим слово «точка» на слово «ячейка»: любое движение - это перемещение из одной ячейки пространства в другую. Если рассматривать движение внутри одной ячейки, то его попросту нет, так как вы никуда не сместились.
Возвратимся к Зенону и стреле. Разделив пространство на элементарные составляющие, мы представим движение как сумму движений в каждой элементарной ячейке. Внутри каждой элементарной ячейки движения нет, значит стрела в итоге будет неподвижна. Подчеркнем, что условием такой неподвижности будет фактическое разделение пространства на элементарные частички.
А такое возможно?
А почему бы и нет? Еще 150 лет назад деление атомного ядра и не снилось людям, так же как и строение атома вообще.
А зачем это людям будет надо?
На этот вопрос хочется ответить словами Леонида Халфина, который первым предсказал существование квантового парадокса Зенона: «Сегодня выглядят фантастическими способы «замораживания» физических процессов, в частности распадов, с помощью квантового парадокса Зенона, которые бы открыли не менее фантастические возможные приложения. Однако никаких принципиальных запретов для этого нет, и недавнее наблюдение первого квантового парадокса Зенона подчеркивает, что фантастические возможности, связанные с квантового парадокса Зенона, могут быть реализованы в будущем».
Размышления напоследок: откуда Зенон в 5 веке до н.э. это знал?
