⚡ Инженерные Знания

Квантовая механика давно приучила нас к странной мысли - частица может находиться сразу в нескольких состояниях. Электрон может проходить через две щели одновременно, атом - быть в двух местах, а гипотетический кот Шрёдингера оставаться одновременно живым и мёртвым. Ну и прочее, прочее, что вы давно уже знаете. Но это всё и всегда микромир и даже меньше. И вот главный фундаментальный вопрос физики - а где заканчивается квантовый мир и начинается привычная классическая реальность? Почему мы не видим...

Мы много раз поднимали этот вопрос, но раз за разом в комментариях я вижу, как всё также повторяется фраза про частицу сразу в двух местах или про мистификацию современной физики. Потому давайте ещё раз расставим все точки над i или ё. Как кому больше нравится. Для начало. Никакого мистицизма точно нет. Именно это и говорят уравнения, если свести их к сути, убрав всякий мистицизм. Но мистическая составляющая удобна и проста для понимания. Сознание усиленно старается привести всё к виду - ооо, да ведь это, батенька, колдовство...

Гравитация очень странная и это уже не новость. Хотелось бы сказать "странная сила", но насколько ли уместно использовать слово "сила"? Традиционно в научпоп говорят, что гравитация НЕ сила. Но это, похоже, излишнее упрощение. И для ньютоновской гравитации, и для общей теории относительности справедливым будет утверждение, что гравитация - это нестандартная сила. Но про силу давайте поговорим детально. Странности возникают из-за так называемого принципа эквивалентности. Это когда невозможно отличить гравитацию от ускорения...

Если атом может находиться сразу в двух местах одновременно, то может ли он находиться в трёх местах одновременно? А может и в четырёх? Или даже в миллиарде? Вопрос, на самом деле, очень интересный. Нам часто говорят, что квантовые объекты способны быть сразу в нескольких состояниях и местах, и воображение тут же дорисовывает странную картину: атом будто бы размазан по пространству или присутствует сразу в нескольких точках. Однако именно здесь начинается фундаментальная ошибка, связанная не с физикой, а с языком, которым мы пытаемся её описывать...

В физике особое место занимает термин "пространство". Вы встретите его почти в каждой статье о теории относительности да и много где ещё. В математике пространство - это некоторая метрика, способная описать... характеристики пустого места. Очень сложно придать физические черты тому, что является по сути математическим объектом. Вариантов пространств существует очень много. Но мы обычно будем встречать евклидово и гильбертово. Когда мы думаем о пространстве, то обычно представляем что-то трёхмерное...

Есть ещё одно понятие, в котором вам будет полезно разбираться и которое довольно часто проскакивает в научпоп-физике. Начнём с примеров, чтобы было проще проанализировать важность этой штуки. Представьте, что у вас есть сложная система из нескольких маятников, соединённых пружинами. Если пытаться описывать движение каждого маятника отдельно, всё быстро превращается в хаос. Мы можем выцеплять параметры, но без привязки к концертному физическому телу это не будет иметь никакого смысла. Таких примеров можно привести огромное количество...

В физике почти всегда есть что-то, что движется и это очевидно. Чтобы описывать эти движения, ученые изобрели разные инструменты, каждый из которых удобен в конкретном случае. Где-то нам достаточно иметь обычное простое уравнение для линейной зависимости, а где-то подобных способов описания и изучения либо просто недостаточно, либо их использование приводит к невероятно запутанным записям. В этих случаях используют хитрые математических подходов. Один из таких инструментов - это гамильтониан, часто обозначаемый просто буквой "H", которая порой мелькает в научпоп...

Вы когда-нибудь задумывались, как предсказывают движение планет, поведение маятника или распространение света в пространстве? Само собой, обычно это математика. Но математика не простая, а волшебная. Очень бы хотелось, чтобы абсолютно все процессы можно было описать посредством простых закономерностей линейного типа. Чем-то вроде y=2x+3. Но увы, этого часто недостаточно. Подобные математические инструменты могут справиться с описанием движения велосипедиста по дороге при идеальных условиях. И в реальной физике такого не бывает...

Там, где есть волновые процессы, рано или поздно вам встретится фурье-анализ. Звучит это пугающе, но всё это не настолько сложно, как может показаться. Поскольку это понятие в научпопе попадается регулярно, а пояснений нет, то я решил включить его в наш аля-миникурс. Итак, начнём, как обычно, с самых основ. Тут будет много из математики, но я постараюсь донести именно физический смысл и, в-общем-то, не нужно пугаться ужасных формул. Когда-то Жан-Батист Фурье изучал теплопроводность и заметил, что сложные температурные распределения можно разложить математически на синусы и косинусы...

Ещё одна тема, которая не могла не попасть в эту подборку статей - эта теория вероятностей. Несмотря на то, что вопрос кажется скорее философским, он имеет вполне математические корни и это нужно знать для правильного понимания научно-популярной физики. Вероятности математики умеют считать и знают, как с этим работать. В одну статью, конечно, всё не влезет, но я надеюсь, что базовое понимание у вас появится. И да, у вас сейчас всё смешается в кашу, но это нормально. Постепенно всё встанет на свои места...

Представьте себе, что вы читаете научпоп материал и встречаете там лагранжиан. Вы, самом собой, или не знаете, что это такое, или забыли за долгое время. Мы лезем в поиск и видим столько странной запутанной информации, что быстро переварить её быстро не получится. Что же, давайте вместе попробуем всё это упростить и сделать доступным для всех читателей. Ведь лагранжиан встречается в материалах и правда неприлично часто. Нужно бы понимать, чем он является. Итак, когда мы говорим о законах природы, обычно представляем себе стандартные формулы вроде формулы Эйнштейна или второго закона Ньютона...

Полагаю, что интегралы и дифференциалы вы уже встречали множество раз. Было бы странно не включать их в этот "мануал". Эти понятия постоянно попадаются даже в статьях уровня популярной науки, не говоря уже про что-то более серьезное. Но увы, далеко не все понимают что это вообще такое. Причём, что характерно, даже если в школе или универе вы изучали всё это дело (а вы, скорее всего, изучали), то основной уровень ваших знаний определялся по умению вычислять. Но нам-то важно понимать физическую сущность, а не просто считать циферки...