5 заблуждений о нашей Вселенной: мнение доктора физико-математических наук
Квантовая природа лежит в основе всего, что нас окружает. Благодаря ей существуют атомы, из которых состоит всё вещество во Вселенной, включая нас самих. Квантовые процессы определяют взаимодействие света и материи, позволяют Солнцу светить и обеспечивают функционирование сложных химических систем – живых организмов.
Однако мы редко замечаем её проявления в повседневной жизни, так как на макроскопическом уровне квантовые эффекты усредняются и скрываются за огромным количеством частиц и их взаимодействий. В результате мы воспринимаем окружающий мир как подчиняющийся классическим законам физики, хотя в действительности он состоит из квантовых объектов и управляется квантовыми правилами.
В новой книге Алексея Семихатова «Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе» автор объясняет, что многие привычные нам концепции являются лишь упрощениями реальности. Вдохновившись этой идеей, мы решили развенчать некоторые из популярных заблуждений об устройстве нашей Вселенной.
Заблуждение No 1: Атомы и электроны – это маленькие круглые шарики с иллюстраций учебника по физике
Многие представляют атомы как крошечные шарики – так их изображают в учебниках по физике. Эта интерпретация сформировалась ещё в начале XX века, когда ученые только начали исследовать структуру материи. Однако современная квантовая физика показывает, что такое представление далеко от реальности.
Во-первых, атомы «принципиально не наблюдаемы». Атом нельзя увидеть, потому что его размер намного меньше длины волны видимого света. Даже самый коротковолновый фиолетовый свет имеет длину волны, на которой умещается около двух тысяч атомов. Поэтому попытка разглядеть атом подобна попытке разглядеть отдельную букву в слове, если самое мелкое, что можно увидеть, – это слово из тысячи букв.
И конечно, атомы не имеют определенной формы и границ. Они состоят из ядра, вокруг которого в облаке вероятности распределены электроны. Это электронное облако также не имеет четких границ и постепенно «растворяется» в пространстве. Поэтому привычные нам модели атомов с электронами, летающими по орбитам вокруг ядра, – пример удобного упрощения.
Заблуждение No 2: Предметы в определенный момент времени могут находиться только в одном месте и состоянии
Классическая физика приучила нас к мысли, что любой объект в каждый момент времени имеет строго определенное положение в пространстве и находится в единственно возможном состоянии. Однако квантовая механика показывает, что на самом деле всё гораздо сложнее и интереснее.
В квантовом мире объект описывается волновой функцией, которую визуально можно представить как «облако вероятностей». Эти вероятности включают в себя разные положения объекта в пространстве и разные состояния, потому что, в отличие от классических объектов, квантовые частицы не имеют определённого положения, пока их не измеряют. Они как бы «размазаны» по всему пространству, присутствуя одновременно во многих местах, но с разной вероятностью. Волновая функция описывает эти вероятности.
Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера ярко иллюстрирует этот феномен. В нём кот помещен в герметичную коробку с ёмкостью с ядовитым газом и механизмом, который при определённых условиях либо разбивает ёмкость с ядом, либо нет. Но до момента, пока мы не откроем коробку и не проведём «измерение», то есть не увидим, жив кот или мёртв, он оказывается в суперпозиции состояний «жив» и «мёртв» одновременно. Лишь факт нашего наблюдения заставляет квантовую систему выбрать одну из альтернатив – происходит так называемый коллапс волновой функции: случайным образом реализуется одна из заложенных в ней вероятностей. До этого момента все они сосуществуют на равных правах.
Заблуждение No 3: Реальность объективна и не зависит от наблюдателя
Мы привыкли думать, что мир существует независимо от нашего наблюдения: яблоко на столе остается яблоком, независимо от того, смотрим мы на него или нет. Однако квантовая механика ставит под сомнение эту, казалось бы, очевидную истину.
Существует мысленный эксперимент, известный под названием «друг Вигнера». Представьте, что у вашего друга в изолированной лаборатории есть электрон. Согласно квантовой механике, до измерения спин электрона (своеобразный компас внутри, который помогает электрону решать, как взаимодействовать с другими частицами и который может принимать только два значения: «вверх» или «вниз») находится в суперпозиции, то есть электрон пребывает в обоих состояниях одновременно.
Когда ваш друг измеряет спин электрона, для него происходит коллапс волновой функции, и в реальности проявляется одна из множества вероятностей: электрон «выбирает» одно определённое состояние. Но вы в этот момент рассматриваете всю лабораторию, включая вашего друга и электрон, как единую квантовую систему. И для вас эта система по-прежнему находится в суперпозиции двух состояний: «друг измерил спин вверх» и «друг измерил спин вниз».
Вместо электрона у друга может быть яблоко и вариации его состояний. Для друга, который контактирует с яблоком, реальность будет отличаться от той, где вы контактируете с системой в целом. Это иллюстрирует ключевую идею квантового мира: наблюдение может менять реальность, и эта реальность может быть разной для разных наблюдателей.
Заблуждение No 4: Квантовый компьютер – это просто мощная версия привычного компьютера
При словосочетании «квантовый компьютер» многие представляют себе просто очень мощный компьютер. Но это большое заблуждение. Квантовый компьютер – это не просто улучшенный компьютер, а принципиально иное устройство, работающее на совершенно других принципах. В нём не происходит привычных вычислений на повышенных скоростях, а реализуется эволюция волновой функции. Вычисления в квантовых компьютерах связаны с суперпозицией и запутанностью состояний.
В привычных нам компьютерах вся информация записывается в виде нулей и единиц – битов. Квантовый же компьютер использует квантовые биты – кубиты, которые могут находиться в состоянии нуля и единицы одновременно, то есть в суперпозиции. Более того, кубиты могут «переплетаться» между собой особым образом, создавая сложные квантовые состояния. Это позволяет квантовому компьютеру параллельно оперировать огромным количеством вариантов, что и даёт ему феноменальную вычислительную мощь в определенных задачах.
Заблуждение No 5: Существует только одна вселенная и реализуется лишь один исход из возможных
У нас есть классическая картина реальности, основанная на здравом смысле и повседневном опыте. Например, мы уверены, что стол, за которым сидим, имеет чёткие границы, определённые размеры и местоположение в пространстве. Мы считаем, что если на столе лежит ручка, то она находится именно там, а не в каком-то неопределённом состоянии. Мы думаем, что есть одна-единственная реальность, в которой все события подчиняются классическим законам физики, а квантовые чудеса вроде суперпозиции состояний и квантовой запутанности имеют место лишь в царстве атомов и элементарных частиц.
На самом деле квантовая механика универсальна и применима на всех уровнях реальности. Любой объект – от электрона до измерительного прибора и даже наблюдателя – подчиняется квантовым законам. И одно из ключевых следствий этих законов — существование множества параллельных миров, или ветвей мультивселенной.
Представьте себе простой эксперимент. Электрон, находящийся в суперпозиции двух состояний (спин вверх и спин вниз), пролетает через измерительный прибор. Казалось бы, прибор просто регистрирует одно из двух возможных значений спина, коллапсируя волновую функцию электрона. Но в реальности происходит нечто гораздо более удивительное. В ходе измерения прибор сам «впутывается» в квантовую суперпозицию электрона. Теперь уже не только электрон, но и прибор находится в двух состояниях одновременно: в одном он показывает спин вверх, в другом – спин вниз. Далее в игру вступает наблюдатель. Взаимодействуя с прибором, он тоже оказывается «расщеплённым» между двумя ветвями реальности: в одной он видит результат «спин вверх», в другой — «спин вниз».
Но и это ещё не все. Квантовая запутанность имеет свойство стремительно расползаться по вселенной. Молекулы воздуха, фотоны, разнообразные поля мгновенно разносят информацию о случившемся, вовлекая в суперпозицию все больше и больше объектов. В результате две ветви реальности окончательно расходятся, превращаясь в параллельные миры. И таких миров бесконечное множество – они рождаются каждое мгновение, при каждом квантовом событии.
Не существует одного «классического» мира. Просто в определенный момент времени мы осознаём себя лишь в одной из бесчисленных ветвей мультивселенной, принимая ее за единственную реальность. Но, как вы уже поняли, на квантовом уровне объекты могут находиться в нескольких состояниях, их свойства запутанны, а границы размыты. При взаимодействии с окружающей средой она отфильтровывает неустойчивые состояния, закрепляя классические. Так рождаются знакомые нам классические свойства – определённое положение в пространстве, конкретная скорость и т.д.
Получается, что мы воспринимаем лишь этот макроуровень реальности, в то время как ее квантовая основа скрыта от наших глаз. Но именно она является фундаментальной, истинной природой мироздания. Если вы хотите еще глубже погрузиться в тайны Вселенной, книга Алексея Семихатова позволит приблизиться к истинному познанию природы реальности.