Понять Вселенную: что такое квант и почему его так любят экстрасенсы
Теории и практики
В зависимости от точки зрения квантовая теория — это либо свидетельство обширных успехов науки, либо символ ограниченности человеческой интуиции, которая вынуждена бороться со странностью субатомной сферы. Для физика квантовая механика — одна из трех великих опор, на которых основано понимание природы (наряду с общей и специальной теориями относительности Эйнштейна). Для тех, кто всегда хотел хоть что-нибудь понять в фундаментальной модели устройства мира, объясняют ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу в своей книге «Квантовая вселенная», которая вышла в издательстве МИФ. T&P публикуют небольшой отрывок о сути кванта и истоках теории.
«Квантовая вселенная»
Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения. Квантовая механика занимается всем остальным, и можно сказать, что, как бы она ни взывала к чувствам, сбивала столку или завораживала, это всего лишь физическая теория, описывающая то, как природа ведет себя в действительности. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой. Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования. Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы. Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером и с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались.
Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Она полезна, потому что понимание поведения малейших кирпичиков мироздания укрепляет понимание всего остального. Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.
Представьте мир вокруг нас. Скажем, вы держите в руках книгу, сделанную из бумаги — перемолотой древесной массы. Деревья — это машины, способные получать атомы и молекулы, расщеплять их и реорганизовывать в колонии, состоящие из миллиардов отдельных частей. Они делают это благодаря молекуле, известной под названием хлорофилл и состоящей из ста с лишним атомов углерода, водорода и кислорода, которые имеют изогнутую особым образом форму и скреплены еще с некоторым количеством атомов магния и водорода. Такое соединение частиц способно улавливать свет, пролетевший 150 000 000 км от нашей звезды — ядерного очага объемом в миллион таких планет, как Земля, — и переправлять эту энергию вглубь клеток, где с ее помощью создаются новые молекулы из двуокиси углерода и воды и выделяется дающий нам жизнь кислород.
Именно эти молекулярные цепи формируют суперструктуру, объединяющую и деревья, и бумагу в этой книге, и все живое. Вы способны читать книгу и понимать слова, потому что у вас есть глаза и они могут превращать рассеянный свет от страниц в электрические импульсы, интерпретируемые мозгом — самой сложной структурой Вселенной, о которой мы вообще знаем. Мы обнаружили, что все вещи в мире — не более чем скопища атомов, а широчайшее многообразие атомов состоит всего из трех частиц — электронов, протонов и нейтронов. Мы знаем также, что сами протоны и нейтроны состоят из более мелких сущностей, именуемых кварками, и на них уже все заканчивается — по крайней мере, так мы думаем сейчас. Основанием для всего этого служит квантовая теория.
Таким образом, картину Вселенной, в которой обитаем мы, современная физика рисует с исключительной простотой; элегантные явления происходят где-то там, где их нельзя увидеть, порождая разнообразие макромира. Возможно, это самое выдающееся достижение современной науки — сведение невероятной сложности мира, включая и самих людей, к описанию поведения горстки мельчайших субатомных частиц и четырех сил, действующих между ними. Лучшие описания трех из четырех этих сил — сильного и слабого ядерных взаимодействий, существующих внутри атомного ядра, и электромагнитного взаимодействия, которое склеивает атомы и молекулы, — предоставляет квантовая теория. Лишь сила тяжести — самая слабая, но, возможно, самая знакомая нам сила из всех — в настоящий момент не имеет удовлетворительного квантового описания.
Стоит признать, что квантовая теория имеет несколько странную репутацию, и ее именем прикрывается множество настоящей ахинеи. Коты могут быть одновременно живыми и мертвыми; частицы находятся в двух местах одновременно; Гейзенберг утверждает, что все неопределенно. Все это действительно верно, но выводы, которые часто из этого следуют — раз в микромире происходит нечто странное, то мы окутаны дымкой тумана, — точно неверны. Экстрасенсорное восприятие, мистические исцеления, вибрирующие браслеты, которые защищают от радиации, и черт знает что еще регулярно прокрадывается в пантеон возможного под личиной слова «квант». Эту чепуху порождают неумение ясно мыслить, самообман, подлинное или притворное недопонимание либо какая-то особенно неудачная комбинация всего вышеперечисленного. Квантовая теория точно описывает мир с помощью математических законов, на столько же конкретных, как и те, что использовали Ньютон или Галилей. Вот почему мы можем с невероятной точностью рассчитать магнитное поле электрона. Квантовая теория предлагает такое описание природы, которое, как мы узнаем, имеет огромную предсказательную и объяснительную силу и распространяется на множество явлений — от кремниевых микросхем до звезд.
Как часто бывает, появление квантовой теории спровоцировали открытия природных явлений, которые нельзя было описать научными парадигмами того времени. Для квантовой теории таких открытий было много, притом разнообразного характера. Ряд необъяснимых результатов порождал ажиотаж и смятение и в итоге вызвал период экспериментальных и теоретических инноваций, который действительно заслуживает расхожего определения «золотой век». Имена главных героев навсегда укоренились в сознании любого студента-физика и чаще других упоминаются в университетских курсах и посей день: Резерфорд, Бор, Планк, Эйнштейн, Паули, Гейзенберг, Шредингер, Дирак. Возможно, в истории больше не случится периода, когда столько имен будут ассоциироваться с величием науки при движении к единой цели — созданию новой теории атомов и сил, управляющих физическим миром. В 1924 году, оглядываясь на предшествующие десятилетия квантовой теории, Эрнест Резерфорд, физик новозеландского происхождения, открывший атомное ядро, писал: «1896 год… ознаменовал начало того, что было довольно точно названо героическим веком физической науки. Никогда до этого в истории физики не наблюдалось такого периода лихорадочной активности, в течение которого одни фундаментально значимые открытия с бешеной скоростью сменяли другие».
Термин «квант» появился в физике в 1900 году благодаря работам Макса Планка. Он пытался теоретически описать излучение, испускаемое нагретыми телами, — так называемое «излучение абсолютно черного тела». Кстати, ученого наняла для этой цели компания, занимавшаяся электрическим освещением: так двери Вселенной порой открываются по самым прозаическим причинам. Планк выяснил, что свойства излучения абсолютно черного тела можно объяснить, только если предположить, что свет испускается небольшими порциями энергии, которые он и назвал квантами. Само это слово означает «пакеты», или «дискретные». Изначально он считал, что это лишь математическая уловка, но вышедшая в 1905 году работа Альберта Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте поддержала квантовую гипотезу. Результаты были убедительными, потому что небольшие порции энергии могли быть синонимичны частицам.
Идея того, что свет состоит из потока маленьких пулек, имеет долгую и славную историю, начавшуюся с Исаака Ньютона и рождения современной физики. Однако в 1864 году шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл, казалось, окончательно рассеял все существовавшие сомнения в ряде работ, которые Альберт Эйнштейн позднее охарактеризовал как «самые глубокие и плодотворные из всех, что знала физика со времен Ньютона». Максвелл показал, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве, так что идея света как волны имела безукоризненное и, казалось бы, неоспоримое происхождение. Однако в серии экспериментов, которые Артур Комптон и его коллеги провели в Университете Вашингтона в , им удалось отделить световые кванты от электронов. Те и другие вели себя скорее как бильярдные шары, что явно подтвердило: теоретические предположения Планка имели прочное основание в реальном мире. В 1926 году световые кванты получили название фотонов. Свидетельство было неопровержимым: свет ведет себя одновременно как волна и как частица. Это означало конец классической физики — и завершение периода становления квантовой теории.
Источник
Бог обитает в квантовом мире
Мир больших объектов предсказуем, надежен и меняется медленно. Но весь этот мир состоит из частиц — квантов, а они в свою очередь подвижны и непредсказуемы. За оболочкой привычных предметов бурлит квантовая жизнь. И, по мнению ученого-космолога, автора книги «Нереальная реальность» Андрея Кананина, она не может существовать без наблюдателя — Бога.
— Космология — это наука, отпочковавшаяся от философии?
— Космология все-таки не отпочковалась от философии, а идет параллельно с философским знанием. Это наука о Вселенной и месте разумных существ в ней. Поскольку это достаточно большая область знаний, то здесь применяются естественно-научные подходы и необходимы определенные познания в астрофизике, астрономии, математике… Но в значительной степени это все-таки гуманитарное знание, философское осмысление проблемы разума и эволюции. Космология — это отдельная наука и достаточно серьезная.
— Большое внимание в космологии уделяется теме бытия Божьего во Вселенной, хотя рассматривается дарвинизм и другие теории. Помимо космологии есть квантовая физика — тоже молодая наука. Вы сумели построить целую систему доказательств, прибегая именно к этой научной отрасли?
— Да, совершенно верно. Квантовую физику понимают сегодня досконально 5-6 человек в мире, потому что если копаться в уравнениях, в математических конструкциях, то она крайне сложна для понимания. Но в общих чертах можно рассказать о самом главном. Классическая физика описывает большие масштабы. Она описывает планеты, она описывает людей, она описывает гравитационные силы, — то, с чем мы привыкли сталкиваться ежедневно.
Квантовая физика — другая. Она описывает мир на микроскопических масштабах. Ведь квант — это элементарный, самый маленький пучок энергии. Самый известный квант — фотон — это частица света. В последние годы выяснилось, что наш мир в целом квантовый. Это можно утверждать почти на сто процентов. То есть он — классический материальный, как считалось раньше, а в основе своей — квантовый. И это очень глубокий вывод, заставляющий пересмотреть современные научные концепции, которые недавно считались незыблемыми.
Первый квантовый эксперимент был проведен еще в 1801 году Томасом Юнгом. Он разместил две пластиночки — одну с двумя щелями, а за ней поставил непрозрачную, и пропустил свет. Логика подсказывает, что должны были образоваться две ярких точки на темной пластинке. К удивлению Юнга, точек не появилось, появился узор, как бы волновой. В XX-XXI веках опыт Юнга повторяли с одним единственным фотоном. Казалось бы, когда один фотон проходит, уж точно должна быть точка, но получился опять узор.
— Один фотон влетел, а в результате образовался узор?
— Нейтрализационная картинка, узор. Это может означать только одно: свет является одновременно и частицей, и волной. Это называют дуальностью квантового мира. Самый первый парадокс: свет — одновременно частица и волна.
Современная астрофизическая аппаратура позволяет уловить одинокие фотоны из очень дальнего космоса. Есть такие объекты — квазары — очень древние галактики, им десять миллиардов лет. И вот когда были пойманы одинокие фотоны от квазаров и пропущены через эту щель, получилась та же самая картинка — световой узор.
Это означает, что не важно, где происходит квантовый эксперимент и с чем он происходит, — у нас в земной лаборатории или в космических масштабах. Это свойство квантового мира универсально для всей Вселенной. Получается, что фотоны двигаются по всевозможным траекториям, по всем, которые теоретически возможны, при этом нарушая классические физические законы.
— Фотон может находиться в двух точках одновременно?
— Да. Вероятность встроена в саму структуру реальности — это первая особенность квантового мира. А второе свойство — именно нелокальность, запутанность частиц. Совершенно необъяснимый момент: частица знает поведение своего партнера, если они находятся на расстоянии километра или даже в разных частях галактики. Это тоже строго научно доказанный факт. И две связанных между собой частицы в квантовом мире всегда взаимодействуют друг с другом. Причем, это взаимодействие проявляется и распространяется быстрее скорости света.
Теория Эйнштейна при этом не нарушается. Дело в том, что эта взаимосвязь частиц не связана с передачей информации. То есть запутанность не позволяет передать информацию и какую-либо энергию. И вот эта вот запутанность в квантовом мире, его единство совершенно не связаны с классическим понятием пространства, времени, скорости света.
— Фотон, бозон — это минимальные частицы, первоначальные кирпичики? Или есть что-то еще меньше, на чем все строится?
— Очень сложно понять определенные нюансы квантового мира. Потому что мы понимаем частицу как некий объект, всегда представляем себе атом в виде точки, вокруг орбиты которой вращаются электроны. И частицу мы представляем себе как точку. Но никаким объектом частица в реальности не является, она вообще не объект в общепринятом понимании этого слова. Частица — как возбуждение квантового поля, которое окружает нас.
— То есть невозможно понять, что есть материальное, а что нематериальное? То, что нам кажется материальным, осязаемым, тоже какая-то иллюзия?
— Не совсем так. Материальный мир, безусловно, существует. Безусловно, в нашей Вселенной работают определенные фундаментальные законы. Дело не в том, что наш материальный мир, мир больших объектов, иллюзорен, — это не так. Дело в том, что он оказывается не главным. А главное в структуре реальности происходит на микроскопическом квантовом уровне.
— Получается, что мы — частность, а целое — это квантовое?
— Совершенно верно. Там действуют другие принципы. Когда говорят о вероятности, обычно у человека возникает в голове мысль об азартной игре. Например, вероятность попадания шарика в ячейку рулетки. Кажется, что она равна одному к 37 секторам. На самом деле это не так. Я думаю, рано или поздно будет создан очень сложный прибор — суперЭВМ. Тогда можно будет рассчитать, в какую именно ячейку упадет шарик.
Проблема в том, что нужно учитывать сотни тысяч параметров: потность руки крупье, как отполирован стол, кто из стоящих рядом чихнул… Но такой прибор всегда определял бы, в какой ячейке будет шарик. Поэтому это не вероятность. А вот квантовая вероятность — это именно фундаментальное свойство. И все, что вокруг нас происходит в глубине своей, в структуре реальности носит неопределенный вероятностный характер.
— То есть миром правит неопределенность, нелокальность и вероятность? Первооснова — совсем простые элементы, из которых состоит мир, — постоянно двигается и меняется. А мы лишь некое частное проявление этого механизма?
— Это научный факт. И здесь начинается самое интересное. Вокруг нас кипит, бурлит совершенно невероятная квантовая жизнь. Справедлив вопрос: а каким образом вот этот фундаментальный квантовый мир преломляется в то, что мы видим? В столы, стулья, телеэкраны и, в конце концов, в нас самих? Выяснилось, что самое главное в природе — акт наблюдения. Мир из квантовой запутанности, бурления превращается в мир материальных объектов, когда происходит наблюдение. Известный космолог Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент: посадить кота в коробку, и в коробке расположить атом, который распадается с вероятностью 50 на 50 в течение минуты. Распадается атом — появляется ад, и кот умирает. Не распадается — кот остается живым. Получается, что до тех пор, пока не открыть коробку, мы не можем сказать, жив кот или мертв.
Над этим полуживым-полумертвым состоянием ломали копья Альберт Эйнштейн, другие астрофизики. Парадокс Шредингера до сих пор до конца не объяснен. Но мы же знаем, что такого полуживого-полумертвого состояния не бывает.
Только открыв коробку и произведя акт наблюдения, мы можем узнать, жив кот или мертв. Но природа-то должна знать, что происходит. В целом физики уже понимают механизм преобразования вероятностного квантового мира в привычный нам материальный. Сложность в том, что неясно, почему и каким образом частица выбирает единственный из множества вариантов будущего. Кто наблюдал мир, пока не было человечества, когда Вселенная только возникла? Это был какой-то сторонний сверх-наблюдатель, назову его Творец, Создатель, — какой-то чистый разум.
Сейчас многие физики, не маргиналы, вообще считают, что если вы отвернетесь от леса, на который смотрите, то за вами уже будут не деревья, а неопределенная квантовая болтанка. Вы посмотрели — лес есть, отвернулись — а за Вами уже квантовая бездна.
— Получается, что понятие объективной реальности, которому нас учили со школьной скамьи, неверно?
— Совершенно правильно. Тяжело и сложно понять квантовую физику, потому что она противоречит нашей здравой логике, нашему здравому смыслу. Мы привыкли, что все в нашем мире идет своим чередом, солнышко с утра восходит и заходит, сила тяжести работает, мы не проваливаемся сквозь землю и не улетаем. А квантовый мир совершенно другой.
И ведь ранняя Вселенная в момент Большого взрыва была микроскопической. Большой взрыв сегодня — основная теория происхождения мира. И этот момент Большого взрыва характеризуется максимальным переплетением всех сил и энергий. Мы знаем по факту, что в современном квантовом мире частица способна существовать во множестве состояний. Логично допустить, что когда Вселенная сама была размером с частицу, тот же принцип был применим и к ней.
Получается, что само зарождение мира, создание нашей Вселенной можно признать уникально необычным квантовым переходом. А при квантовых переходах всегда необходим наблюдатель. Кто мог быть этим наблюдателем в момент зарождения нашего космоса? Можно назвать его Богом, Творцом, Создателем, чистым сознанием и пр.
Получается, что без наблюдателя Вселенная не просто утрачивает смысл, — исходя из прямого трактования сегодняшнего понимания квантовой физики, ее невозможно создать без акта наблюдения. И как только мы понимаем, что зарождение мира являлось событием квантовым, то абсолютно ясно, что Бог есть. Это — совершенно научный факт.
— Получается, согласно квантовой физике, был Творец, который создал мир?
— Здесь очень важно быть корректным в формулировках. Что было до момента создания мира, по православной традиции называется «небытие» — это ничто и никто. То есть мы не можем назвать что-то чем-то, когда ничего не было. Поэтому я бы сформулировал это так, что до момента создания мира нечто разумное должно было этот процесс наблюдать, чтобы преобразовать квантовую реальность в обычную.
Идею наличия Творца в квантовом мире следует обсуждать со всей серьезностью по той простой причине, что у нас Вселенная очень необычно организована. Она организована именно таким образом, чтобы в ней было комфортно существовать нам с вами, разумным людям. Это так называемый принцип тонкой настройки Вселенной. Масса параметров в космосе настолько благоприятны именно для нашей разумной природной жизни, — видимо, это не случайно. Естественным образом возникает вопрос: «Что, если этот мир изначально предусматривал возможность нашего существования?»
В принципе, сегодня есть всего три гипотезы происхождения Вселенной из-за Большого взрыва:
- это совершенная случайность;
- так называемая теория мультивселенной (то есть существует бесконечное число вселенных, одна из которых была бы комфортной для нас);
- это Замысел.
Первой гипотезе я не доверяю, потому что не понимаю природы случайного, а аргументация «случилось, потому что должно было случиться», меня не устраивает. Во втором аргументе, по поводу мультивселенной, меня раздражает просто вопиющая неэкономичность природы. Ненормально и неестественно для того, чтобы появился один мир, комфортный для нас, создавать все возможные. Остается теория Замысла.
Подготовил к печати Юрий Кондратьев
Беседовал
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Источник