Я готовила эту статью несколько недель, полностью разочаровав алгоритмы Яндекс Дзена. Для того чтобы Дзен тебя любил, нужно штамповать по несколько постов каждый день на горячие популярные темы, особо не следя за качеством. Но я решила выйти из этой гонки и следовать своей миссии. В чём моя миссия? Не в самовыражении, а в том, чтобы хоть немного заинтересовать вас чем-то сложным и настоящим. Например, квантовой физикой.
Я уверена: интерес к науке прокачивает личность лучше любых тренингов личностного роста. Мозг начинает видеть масштаб мира, мыслить глобальнее, а бытовые проблемы теряют свою важность. Вместо эзотерических практик для прокачивания энергии посмотрите на звёздное небо и подумайте о космосе, гравитации и теории относительности Эйнштейна. Сработает лучше, обещаю.
Итак, как понять квантовую механику за 5 минут?
Никак. Серьёзно, за 5 минут? Нет, вы правда в это поверили?)
Я думаю, что в квантовой механике мы вообще никогда не разберёмся до конца. Мы лишь договариваемся о правилах игры, которые, сами по себе, простому обывателю могут показаться шуткой.
Например:
Вы подглядываете за объектом из-за угла. Изменятся ли его качества и свойства от того, что вы на него смотрите? В нашем мире нет. В квантовом да. Частица «знает», что за ней наблюдают, и меняет поведение. Вы можете даже подглядывать не двумя глазами, а одним, еще прикрыв глаза ладошками, но она все равно смекнет и специально начнет вести себя странно. Скажете, что такого не может быть в действительности? Но только это не моя фантазия, а эффект наблюдателя, доказанный экспериментально.
Еще один парадокс: У объекта есть либо скорость, либо местоположение. Чем точнее вы измерите одно, тем сильнее «смажется» другое. Это принцип неопределённости Гейзенберга (да-да, из фильма «Оппенгеймер» с Киллианом Мерфи). Может сделать на него разбор? Пишите в комментариях.
Погружение в квантовую механику и поиск причинно-следственных связей позволяет открыть, как говорится, другие уровни сознания. Это как читать фантастическую литературу, разница лишь в том, что квантовая механика реальна и местами доказуема.
Вас всё ещё не заинтересовало? Ладно. Есть и практическая польза: больше не нужно будет краснеть в компании, когда речь заходит о коте Шрёдингера или теории струн. Сейчас я кратко и наглядно объясню суть. В следующий раз уже вы будете выглядеть интеллектуалом.
Для того чтобы перейти к обсуждению квантовой механики, необходимо вспомнить предшествующие ей направления физики. Для простоты и понимания я предлагаю представить физику как киновселенную вроде Marvel, где у каждой «саги» есть свои герои, суперсилы и законы.
1. Вселенная Ньютона: Мир, где всё предсказуемо.
Похоже на наш привычный мир. Яблоки падают, мячи отскакивают, машины ездят.
Главные герои: Тела, силы, энергии.
Суперспособности: масса, сила, импульс, инерция.
Вселенная, где всё можно потрогать и взвесить. Всё логично, всё по плану. Если знать начальные условия (силу, массу, скорость), можно точно предсказать финал. Здесь правят балом предсказуемость и здравый смысл.
Законы вселенной: закон Ома, закон Архимеда, закон Гей-Люсака и другие.
Вспоминаете задачки по физике в 9м и 10х классах? Про то, как два шарика с определенными массами падают с n-го расстояния с ускорением свободного падения g≈9,8 м/с? Или катятся навстречу друг другу, а потом отталкиваются друг от друга с рассчитываемым импульсом? Наверняка помните. Вот это оно. Жизнь здесь очень похожа на нашу.
2. Вселенная Эйнштейна: Мир, где все относительно.
Представьте, космос, чёрные дыры, искривлённое пространство, свет, мчащийся сквозь пустоту, фильм «Интерстеллар», в конце концов.
Главными героями здесь выступают пространство, время, черные дыры, свет.
Суперспособности: искривление пространства-времени, замедлять время, быть абсолютным пределом скорости (скорость света).
Законы вселенной:
Специальная теория относительности 1905 г. или что происходит, когда мы движемся с постоянной скоростью, близкой к скорости света?
1) Скорость света постоянна в вакууме и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.
Это означает, что с какой бы скоростью вы ни летели, даже если эта скорость близка к скорости света, вы не сможете догнать луч света и он все равно будет отдаляться от вас со скоростью 300 000 км/с. Достигнуть скорости света абсолютно на 100% невозможно, но если такое бы случилось, то время просто бы остановилось для вас и перестало бы течь. Скорость света — это абсолютный предел и универсальная константа. Приближаясь к ней, вы сталкиваетесь с радикальным искажением времени и пространства, а сам предел недостижим и означал бы остановку времени.
2) Законы природы одинаковы для всех, кто движется равномерно и прямолинейно.
Если вы летите в космическом корабле без окон с постоянной скоростью, никаким экспериментом внутри него не определить, летите вы или стоите на месте.
Здесь время течёт по-разному для того, кто летит на ракете, и для того, кто остался на Земле. Из этого вытекает следующий постулат.
3) Замедление времени (парадокс близнецов):
Космонавт, летевший с околосветной скоростью, вернется моложе своего брата-близнеца на Земле. Отличная идея для стартапа по сохранению молодости. «Перестань колоть ботокс и просто слетай на пару лет в космос!».
Общая теория относительности 1915 г. или как работает гравитация?
1) Гравитация – это не сила притяжения, а искривление пространства-времени.
Представьте натянутую ткань (это пространство-время). Если положить на нее тяжелый шар, то ткань прогнется. Это и есть искривление пространства.
2) Массивные тела искривляют пространство-время вокруг себя. Чем больше масса, тем сильнее искривление.
Например, черные дыры – объекты, которые искривили пространство-время так сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться из них.
И, наконец, переходим к Вселенной Квантовой Механики.
3. Вселенная Квантовой Механики: Мир, где всё возможно.
Микроскопическое царство внутри атома и меньше. Мир, который нельзя увидеть глазами, но чьи законы управляют всей материей.
Главные герои: Элементарные частицы (электроны, фотоны, кварки). Это не просто шарики. Это объекты-призраки, ведущие себя то как частицы (точка), то как волны (размазанное поле вероятностей). Они — фундаментальные «кирпичики» всего, но сами не состоят ни из чего привычного.
Только вдумайтесь! Они не состоят ни из чего! Хотя из них состоит все!
Очень рекомендую к просмотру видео великолепного физика Алексея Семихватова об элементарных частиц (видео).
Суперсилы и Законы Вселенной (Ключевые принципы):
1. Принцип суперпозиции (Кот Шрёдингера).
Физик-теоретик Эрвин Шредингер предложил такой мысленный эксперимент, объясняющий теорию суперпозиции.
В закрытом ящике сидит кот. Помимо кота там находится радиоактивный атом, который может начать излучать радиацию, а может не начать! Вероятность 50%.
Если атом начнет фонить - сработает счетчик Гейгера, привязанный к спусковому механизму, который разобьет колбу с цианидом. Итог - кот умрет. Крепитесь.
Второй вариант: если атом не излучает радиацию. В этом случае, счетчик не сработает, спусковой механизм находится в состоянии покоя и колба с ядом останется цела. Итог-кот жив. Напоминаю, что вероятность первого и второго события 50%. Соотвественно, пока ящик закрыт, мы не можем точно сказать, что с котиком. Он может быть и жив, и мертв для нас одновременно. Точно мы узнаем, только когда откроем ящик. Но тут уже нарушается условия, при которых возможна суперпозиция, так как мы будем явным наблюдателем этого события.
Соответственно, суперпозиция, это ситуация, при которой частица может находиться в двух или более состояниях одновременно, пока за ней не наблюдают. Это не «или-или», а «и-и».
Противоречие с нашим миром: В нашем мире кот в ящике либо жив, либо мёртв. В квантовом — он одновременно и жив, и мёртв, пока вы не откроете ящик и не «назначите» ему одно состояние своим наблюдением.
Мысленный эксперимент с котом — это и есть метафора суперпозиции. Кот здесь приведен для наглядности, речь конечно же об элементарных частицах. Открывание ящика — это акт измерения, который «коллапсирует» волновую функцию (набор вероятностей) в один конкретный исход.
Остальное обсудим более кратко.
2. Принцип неопределённости Гейзенберга.
Невозможно с абсолютной точностью измерить и положение, и скорость частицы. Чем точнее вы знаете одно, тем менее определённо другое.
Противоречие с нашим миром: Мы можем измерить, где стоит машина и с какой скоростью она едет. Для электрона это принципиально невозможно. Он существует как «облачко вероятности», а не как точечный шарик на траектории.
3. Квантовая запутанность («жуткое действие на расстоянии» по Эйнштейну).
Две частицы могут быть связаны («запутаны») так, что изменение состояния одной мгновенно влияет на состояние другой, даже если их разнесли на противоположные концы галактики. Связь происходит быстрее скорости света.
Противоречие с нашим миром: В нашем мире информация не может передаваться мгновенно. Здесь же возникает что-то вроде сверхъестественной связи-близнецов. Это основа для квантовой телепортации (передачи состояния) и квантовых компьютеров.
4. Квантовое туннелирование.
Частица может «просочиться» сквозь энергетический барьер, который в классической физике для неё непреодолим. Как если бы мяч, катящийся к подножию горы, вдруг оказался по ту сторону, не перекатившись через вершину.
Противоречие с нашим миром: У вас нет шансов пройти сквозь стену. У электрона — есть (небольшая, но ненулевая вероятность). Именно благодаря этому работает солнечный синтез в звёздах и современные микрочипы.
Теория струн (бонус-трек для самых любопытных)
Это попытка выйти за рамки квантовой механики и объединить её с теорией относительности Эйнштейна (гравитацией) в «Теорию Всего».
В теории струн фундаментальные частицы представляют собой не точки, а крошечные одномерные «струны» (как невероятно малые резиночки), которые вибрируют с разной частотой. Разная вибрация характеризует разные свойства частицы. И всё во Вселенной является следствием «музыки» этих струн.
Но для своей математики теория требует 10, 11 или даже 26 измерений вместо привычных 4-х (длина, ширина, высота, время). Лишние измерения «свёрнуты» так компактно, что мы их не ощущаем.
Это красивая, элегантная, но пока недоказанная математическая гипотеза. Физики спорят о ней десятилетиями. Это вершина, на которую пытается взобраться современная физика.
❗️Итак, предлагаю резюмировать:
· Суперпозиция: Быть в двух местах (или состояниях) одновременно, пока на тебя не посмотрят.
· Квантовая телепортация: Мгновенная передача информации на расстояние через «запутанность».
· Туннелирование: Проходить сквозь непреодолимые барьеры, словно призрак.
И что в итоге?
Если Ньютон дал нам инструкцию к миру, а Эйнштейн показал, что инструкция зависит от скорости чтения, то квантовая механика тихо шепчет: «Дружище, там внутри нет никакой инструкции. Там квантовая лотерея, и мы все в ней билетеры».
Так можно ли понять всё это за 5 минут? Нет. Но можно прикоснуться. Можно ощутить тот головокружительный восторг и ужас, который испытывали физики XX века, когда рушились все привычные картины мира.
P.S. Кот Шрёдингера жив, мёртв и очень зол на все эти философские вопросы. Задобрим котика!
Пишите, про какой химический или физический парадокс хотелось бы узнать подробнее?