«Популярное Изложение»: Физика микромира. Две интерпретации квантовой реальности
Квантовый мир
В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают и принимают энергию дискретным образом – порциями. Эти порции энергии он назвал квантами. Впоследствии Эйнштейн применил квантовую теорию Планка в своей теории света, результатом чего стало принципиальное положение, что свет также состоит из квантов, движущихся со скоростью 299 792 458 м/с.
Именно использование понятия «кванта» в качестве системообразующего элемента является отличительной чертой квантовой физики (о чем свидетельствует само название). Квантовая физика занимается изучением квантовых систем, или микросистем. Иными словами, она описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул и других систем с электронно-ядерным строением. При этом подразумевается, что события, проявляющиеся на уровне микромира, имеют следствия на уровне макромира. Микромир и макромир – это области реальности, различающиеся уровнями структурной организации материи.
Если макромир – это обычный человекоразмерный мир, в котором действуют привычные параметры: метры, килограммы, минуты, то микромир – это качественно иная область, в которой размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки составляют миллиардные доли секунды. Разница между мирами заключается также в способе существования материи на двух уровнях. В макромире материальные объекты имеют либо корпускулярную (частичную), либо волновую природу, в микромире же они неотличимо переплетаются, что порождает необходимость создания новых способов описания. Так, один из ключевых принципов квантовой физики (принцип дополнительности), сформулированный Нильсом Бором, гласит: «Для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных».
Квантовая физика занимается изучением исключительно микрообъектов, чья величина не должна превышать постоянной Планка. В противном случае квантовая механика переходит в классическую механику (макрообъектный уровень). Постоянная Планка – это критерий различения микро- и макрообъектов. Постоянная Планка является показателем момента импульса. Момент импульса – это величина, характеризующая количество вращающейся массы, ее распределение относительно оси вращения и скорость вращения. Понятно, что момент испульса у микро- и макрочастиц различный.
Как мы уже отмечали выше, квантовая физика постулирует принципиальную связь между мирами, поэтому неудивительно, что споры о поведении атомов в конце концов переросли в споры об устройстве мироздания. В квантовой физике существует две наиболее распространенные интерпретации этого вопроса.
Копенгагенская модель Вселенной
Первая – Копенгагенская интерпретация, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Свое название получила в связи с тем, что эти два физика на момент создания интерпретации работали в Копенгагене. Вторая – Многмировая интерпретация – была сформулирована американским физиком Хью Эвереттом III. Чтобы объяснить разницу между интерпретациями, необходимо рассмотреть некоторые принципиальные моменты. Первым таким моментом является понятие «волновой функции». Если говорить в общем смысле, волновая функция – это функция, описывающая чистое состояние квантовой системы. Чистое состояние – это любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.
Поскольку физический мир, согласно копенгагенской интерпретации, состоит из квантов (микрообъектов) и измерительных приборов (макрообъектов), квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в макроусловиях, создающихся человекоразмерными измерительными приборами в процессе наблюдения. Более того, в процессе взаимодействия микрообъекта с атомами измерительного прибора происходит редукция волновой функции измеряемого микрообъекта. Редукция волновой функции – это мгновенное изменение описания квантового состояния объекта, происходящее при его измерении, переход от параметров микрообъектности к макрообъектности.
При этом, согласно копенгагенской интерпретации, редукция волновой функции сводит квантовую суперпозицию к одному состоянию. Суперпозиция в квантовой физике – это одновременное сосуществование взаимоисключающих состояний у одного микрообъекта. Таким образом, смысл копенгагенской интерпретации сводится к тому, что в момент акта наблюдения, когда взаимодействуют квантовый объект и измерительный прибор, квантовый объект утрачивает свою неопределенность (суперпозицию), свою корпускулярно-волновую природу, и предстает наблюдателю либо как частица, либо как волна.
Многомировая интерпретация
Многомировая интерпретация напротив утверждает, что не существует единой волновой функции и что у квантового объекта и наблюдателя они разные. Поэтому процесс измерения микрообъекта дает разные значения измеряемой величины и, поскольку они коррелируют, – разные значения наблюдателя. Можно сказать, что при каждом акте измерения квантового объекта наблюдатель как бы расщепляется на неограниченное количество версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную предшествующую измерению историю и версию Вселенной.
Вот почему эту интерпретацию и называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную – Мультиверсом. При этом важно понять, что многомировая интерпретация не предполагает реального наличия параллельных вселенных. Квантовый мир, согласно многомировой интерпретации – ровно один, однако в силу наличия в нем бесчисленного множества волновых функций объектов, этот мир может быть описан бесконечным количеством различных способов. Другими словами, под «другим миром» в многомировой интерпретации понимается просто другой способ описания одного и того же реального мира.
Источник
Познать микромир и макрокосмос. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг ― о расширении Вселенной и фундаментальных задачах физики
Как физика мельчайших частиц помогает изучать космос? С какими фундаментальными проблемами до сих пор сталкиваются ученые? И что они собираются делать дальше? Об этом и не только рассказал лауреат Нобелевской премии по физике, популяризатор науки Стивен Вайнберг. Открытая лекция прошла в рамках фестиваля NAUKA 0+. Записали самое главное.
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Разница величин, с которыми работают современные физики, потрясает воображение. С одной стороны, ученых интересуют процессы, происходящие на уровне мельчайших частиц, а с другой — свойства нашего мира в масштабе всей Вселенной. При этом есть шанс, что ответы на фундаментальные вопросы науки исследователи могут обнаружить именно на уровне измерений величин меньше атомного ядра.
По крайней мере, так считает Стивен Вайнберг, один из самых известных физиков-теоретиков современности и лауреат Нобелевской премии по физике в 1979 году «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов». При этом исследовать микромир далеко не просто. По словам ученого, даже при всем технологическом богатстве мира ученые не знают, с чего начать.
«Основная проблема для физиков заключается в том, что энергия, необходимая для исследования того, что на самом деле происходит на минимальных уровнях, намного превышает современные технологии. Это примерно в 10 триллионов раз больше максимальной энергии, которую мы можем использовать сейчас», — говорил Вайнберг в одной из своих лекций.
В ходе выступления в рамках фестиваля NAUKA 0+ он поделился своими мыслями об истории изучений микромира и макрокосмоса, об их актуальном состоянии и перспективах, а также о том, что общего есть у этих сфер. Ученые пытаются придумать новые обобщающие теории. И в этом контексте особенно актуальна дискуссия о том, как физики микромира и макрокосмоса взаимодействуют друг с другом и помогают ученым познавать законы природы.
Фестиваль NAUKA 0+. Источник: minobrnauki.gov.ru
О прогрессе в физике
Еще в 19 веке ученые считали, что наша галактика — это и есть вся вселенная. Вплоть до начала 20 века они совершенно не интересовались туманностями, которые «мешали» им наблюдать кометы — настоящий предмет интереса астрономов, напоминает Вайнберг.
В 1912 году американский астроном Генриетта Ливитт заметила «Малое Магелланово Облако», а в нем обнаружила цефеиды — особый тип звезд, блеск которых периодически изменяется. Именно благодаря интенсивности их света и перемещениям удалось понять расстояние до них.
Малое Магелланово Облако. Источник: apod.nasa.gov. Автор фото – Bogdan Jarzyna
В 1923 году американский астроном Эдвин Хаббл, в честь которого назван известный космический телескоп, обнаружил похожие переменно-светящиеся звезды в Туманности Андромеды. С помощью корреляции света и периода он выяснил, что она находится в миллионе световых лет от Земли. Тем самым он доказал, что существуют и другие скопления звезд, хотя позже астрономы выяснили, что они находятся примерно в два раза дальше, потому что Хаббл ошибся в расчетах. Несмотря на это, ученые поняли, что есть другие галактики, которые находятся на разных расстояниях и во всех направлениях от нас.
Масштаб Вселенной расширился до невероятных размеров, и сейчас мы понимаем, что ее всю не получится охватить даже новейшими приборами, а астрономы могут видеть объекты, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Однако границу в 14 млрд световых лет превзойти пока не удалось.
В то же время, на другом конце шкалы измерений ― на микроуровне ― в физике продолжалась своя работа. Еще 400 лет до нашей эры Демокрит предположил, что материя состоит из атомов. Конечно, он не мог ничего утверждать, только знал, что они слишком маленькие для человеческого глаза. В 19 веке измерение размера атомов стало большой задачей для физиков и химиков. Сегодня наука дошла до изучения ядра атома.
Эдвин Хаббл. Источник: space.com
Стивен Вайнберг сравнивает атом по строению с солнечной системой.
«Атом также, по большей части, состоит из “пустого” пространства. Электроны вращаются внутри атома как планеты солнечной системы, которые только преодолевают огромные расстояния. В центре атома по аналогии с солнечной системой находится ядро, которое содержит практически всю его массу и положительный электрический заряд», ― говорит он.
Наименьшее расстояние, которое сегодня могут исследовать ученые с существующими ускорителями — примерно 10 в минус 16 степени сантиметров. Это то, насколько люди смогли расширить границы изучения физики.
Более того, мы думаем, что понимаем, что там происходит и даже можем описать силы, действующие на микроуровне. Для этого используется стандартная модель — теоретическая конструкция, которая описывает строение и взаимодействие элементарных частиц. Она включает в себя описание трех из четырех основных физических взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное, все три происходят на уровне микромира.
Стивен Вайнберг. Источник: worldsciencefestival.com
По словам Стивена Вайнберга, именно на таких расстояниях мы сталкиваемся с проблемой, которая связана с энергией пустого пространства, которую еще называют темной энергией.
«Пустое пространство не может быть полностью пустым из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Это принцип квантовой механики, который гласит, что для квантовой частицы невозможно одновременно определить координаты в пространстве (положение) и ее импульс (скорость). Так же применительно к полям: невозможно для поля в один момент иметь определенное значение и изменение этого значения. Значит невозможно сказать, как ведет себя электромагнитное поле, оно меняет значение, оно может быть любым, и мы не сможем его предсказать», ― объясняет он.
Это дает нам то, что, даже если в какой-то момент времени энергия пространства нулевая, мы не можем точно судить, будет ли она такой в следующий момент.
О расширении Вселенной
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Еще с начала 20 века исследователи космоса предсказывали расширение Вселенной. Например, в 1913-1914 годах американский астроном Весто Слайфер изучал туманность Андромеды и другие небесные объекты и установил, что они движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями. Что важнее, почти все из них удаляются от нее.
Затем, в 1927 году, Жорж Леметр, а в 1929 году и Эдвин Хаббл вывели законы для расширения Вселенной. Последним открытием стало доказательство в 1998 году того, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, а все быстрее и быстрее. За это астрономы Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт получили Нобелевскую премию в 2011 году. В 2019 году Рисс в составе группы других ученых показал, что вселенная расширяется даже быстрее, чем он предполагал до этого.
Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт. Источник: businessinsider.in
До сих пор нельзя точно сказать, что именно постоянно повышает эту скорость, однако многие ученые предполагают, что это происходит из-за так называемой темной энергии. Это энергия «пустого» пространства между галактиками, создающего некую силу, которая и заставляет их отдаляться друг от друга. Ведь Вселенная, как было доказано, расширяется с ускорением, а для ускорения необходима энергия. При этом масштабы и скорость расширения вселенной показывают, что эта энергия пустого пространства колоссальна.
«Наше понимание физики вплоть до мельчайших частиц указывает на то, что должна существовать определенная плотность энергии пустого пространства, и многие физики 20 века пришли к выводу, что темная энергия, энергия пустого пространства, меньше, чем можно было бы ожидать. Расширение Вселенной можно объяснить только существованием энергии пустого пространства. Она доминирует над обычной и темной материями, — объясняет ученый. — Это означает, что наши расчеты были неправильны. И только когда мы применили стандартные методы, которые мы используем для микромира, мы поняли, как существует макрокосмос. И теперь мы столкнулись с фундаментальной физической проблемой: как объединить физические гипотезы относительно самых маленьких величин и расстояний с космологическим масштабами, которые мы изучаем, например, величиной темной энергии».
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Еще одна область соприкосновения микромира и макрокосмоса — тот факт, что исследования в этих сферах очень дороги, шутит Стивен Вайнберг. Он надеется, что интерес публики к ним покажет государствам, что им надо поддерживать будущие физические разработки.
«Что нам нужно делать — так это это расширить наши измерения на огромных расстояниях и найти, постоянная ли темная энергия во времени или она уменьшается. Это большая задача, требующая времени и денег», ― заключает ученый.
Проект NAUKA 0+ реализуется ежегодно с октября по ноябрь в 80 регионах России на более чем 400 площадках. Мероприятие проводится Минобрнауки РФ при поддержке Правительства Москвы, МГУ и РАН.
Источник