Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул

Тайны и парадоксы квантовой физики

Книга без формул

Андрей Жуковский

Корректор Мария Черноок

Автор идеи обложки Анна Жуковская

Дизайнер обложки Никита Валуев

Иллюстратор Анастасия Лопушанская

© Андрей Жуковский, 2024

© Никита Валуев, дизайн обложки, 2024

© Анастасия Лопушанская, иллюстрации, 2024

ISBN 978-5-0064-5847-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Одной из наиглавнейших целей естественных наук является понимание мироздания, т. е. того, как устроена окружающая нас реальность.

И в этом смысле у человечества существует огромная проблема.

С точки зрения естественных наук самым глубоким уровнем понимания реальности выступает квантовая механика (КМ), и здесь мы сразу приходим к удивительному парадоксу. С одной стороны, КМ – это прекрасная, работающая теория, доказательством этому являются множество устройств, которые могут быть у вас дома (например, сотовый телефон или лазерный принтер). Все они давно и надежно разработаны с применением квантово-механических расчетов.

Однако, с другой стороны, ни один ученый в мире пока не понимает, как выглядит микромир, который является следствием квантовых вычислений. Результаты экспериментов, которые получают ученые, занимающиеся этой наукой, – удивительны, формулы, описывающее эти эксперименты, – угаданы, а объяснения этих формул порой настолько парадоксальны, что иногда похожи на фантастический рассказ. Все вместе это выглядит настолько странным и необычным, что пока никто не смог предложить конструкцию реальности, которая бы полностью соответствовала всем проводимым экспериментам с одной стороны и хоть отчасти привычному для нас миру – с другой.

Целью этой небольшой работы как раз и является попытка не только погрузить вас в тайны и парадоксы квантовой механики, постаравшись сделать это без формул и сложных научных оборотов, но и постараться показать современные подходы к тому, что может из себя представлять «квантовая реальность».

Данная монография появилась в результате доработки одного из разделов моей предыдущей книги «О человеческом поведении, квантовой физике, биологии и свободе воли. Книга не для всех», выпущенной издательством «Эксмо» в 2018 году. Книга давно раскуплена, однако я надеюсь, что она скоро появится в книжных магазинах, после ее доработки, в электронном виде. Таким образом, если вам интересно, как квантовая физика связана с нашим поведением на биологическом уровне и что может из этого следовать, – вы скоро сможете ознакомиться и с этой частью моей научной работы.

Ну а пока мне хотелось бы признаться: я люблю квантовую механику! И мне бы очень хотелось, чтобы вы разделили мои чувства, ведь понимание того, как работает микромир, является для нас чрезвычайно важным. Задумайтесь, ведь с точки зрения науки из элементарных частиц состоит действительно все – стол и стоящий на нем компьютер, цветы и деревья, микропроцессор и луч лазера, котенок, сидящий на заборе, мои руки, бегающие сейчас по клавиатуре, Солнце и чудесные глаза вашего ребенка…

Я обращаю внимание всех приверженцев как материалистических, так и не материалистических взглядов: понимание того, как устроена реальность, принесет пользу всем! Дочитайте эту книгу до конца, и я надеюсь, что вы со мной согласитесь!

Итак, если мы действительно поймем, что из себя представляет микромир, мы действительно поймем, что такое реальность. Если мы не только найдем теорию всего, если мы сможем ясно и достоверно представить, как выглядит реальность, как она функционирует, то мы обязательно поймем и то, как мы сделаны, кто мы и какое место мы занимаем в этой реальности! Оттолкнувшись от понимания квантовой реальности и двинувшись дальше, вверх, от элементарных частиц и атомов до молекул, синапсов и живых клеток к работе различных систем и человеческого организма в целом, мы, может быть, наконец разберемся с тысячелетними философскими дискуссиями, связанными с местом человека в этом мире, с его радостями и болями, надеждами и потерями, счастьем и несчастьем, жизнью и смертью… Познав законы и конструкцию реальности и свое место в ней, мы получим шанс окончательно разобраться с человеческой биологией и психологией, социологией и педагогикой, экономикой и философией. Я уже не говорю о том, что, постигнув реальность, мы, скорее всего, откроем множество закрытых пока для нас дверей в новые технологии и материалы, после чего обязательно совершим последовавшую за ней новую технологическую революцию.

Я надеюсь, что вы уже в полной мере осознали, насколько ценную книгу вы сейчас читаете :)

Итак, в дорогу!

Благодарности

Я искренне благодарю за важные советы и помощь в работе над данной монографией доктора физико-математических наук Александра Витальевича Белинского и доктора философских наук Андрея Юрьевича Севальникова. Я также благодарю за теплую и неоценимую поддержку всю свою большую семью и отдельно – дочь Аню за творческую идею по оформлению обложки этой книги.

Неужели физик, изучающий атомы, – это лишь кучка атомов, изучающих самих себя?

Неизвестный автор

Введение в квантовую физику

Долгое время ученые думали о том, что микромир устроен по таким же законам, что и мир больших тел. Однако затем (в начале прошлого века) они решили, что это не так, что в мире элементарных частиц все устроено по-другому.

Опуская длинную предысторию появления и развития квантовой механики, мне хотелось бы вам рассказать о самых последних рубежах этой науки, т. е. об основных положениях и парадоксах, известных в КМ в 2024 году. Более того, мне хотелось бы рассказать об этом самым простым образом. Для того чтобы это сделать, я постараюсь показать вам отдельно те положения, которые признаются всеми учеными, и те положения, которые до сих пор носят дискуссионный характер.

В начале нашего пути мы поговорим о странностях квантового мира. Для того чтобы сразу структурировать информацию по этому вопросу, я бы предложил разделить все парадоксы, обсуждаемые в современной квантовой физике, на три различные группы.

К первой группе я бы отнес изумляющие ученых странности микромира, полученные в результате проведенных ими экспериментов.

Вот уже более ста лет ученые проводят эксперименты, которые показывают, что элементарные частицы ведут себя в них самым необычайным образом, т. е. совершенно не так, как это принято в мире «больших» тел. Подробнее о том, как это происходит, я расскажу ниже, пока же давайте договоримся, что я назову эти парадоксы странностями «первого» рода.

Эти странности не относятся к самой КМ, они относятся исключительно к микромиру, к его реальности, к результатам экспериментов, которые мы в нем проводим. Именно эксперименты демонстрируют нам огромную разницу между микромиром и макромиром, показывая нам необычайную «логику» его работы!

Следующую группу «странностей», которую мне хотелось бы выделить, я предлагаю назвать странностями самой квантовой теории.

Ко второй группе странностей я бы отнес «странности» самой квантовой теории, которая, объясняя «странную реальность», выявленную в ходе экспериментов, сделала это также весьма странным и парадоксальным образом.

Мы, конечно же, разберем их позднее, пока же необходимо сказать следующее – у нас нет никаких оснований сомневаться в корректной работе формул КМ, поскольку они не только хорошо объясняют результаты имеющихся экспериментов, но и хорошо предсказывают поведение ЭЧ.

Целый ряд ученых был бы рад объяснить результаты полученных опытов как-то иначе, чем это делает КМ, однако пока у них ничего не получается. В настоящее время у человечества нет иной теории, хорошо предсказывающей поведение микротел. Таким образом, сегодня КМ остается единственной хорошо работающей теорией в этой области.

Множество именитых ученых считают, что КМ является недеформируемой (окончательной) теорией. Но если они ошибаются (ведь ошибиться могут все, не правда ли?), то через некоторое время КМ может сменить какая-то другая теория, которая будет рассчитывать эволюцию частиц как-то иначе (и лучше!).

Третья группа странностей – это гипотезы, которые ученые выдвигают для того, чтобы попытаться объяснить, как выглядит невероятно странная реальность, которая скрывается за странными формулами КМ. Фактически это странности интерпретаций КМ.

Как уже было сказано, формулы КМ – это всего-навсего угаданный математический аппарат, который позволяет сделать верный квантово-математический расчет. Но что «прячется» за тем или иным математическим понятием, которое вводит КМ в нашу жизнь? Какие процессы на самом деле описывают формулы КМ? Как на самом деле выглядят «микроскопические частицы», из которых состоит вся материя планеты?

Необходимо сказать, что парадоксальность утверждений КМ привела к тому, что в настоящее время существует как минимум 15 более-менее известных интерпретаций этого фундаментального раздела физики. Каждая из таких интерпретаций погружает нас в свой особый, неповторимый мир физической реальности, который может содержать едва ли не «все что угодно» – начиная от фактического отсутствия этой реальности между измерениями до ее присутствия в виде бесчисленного множества реальных миров. Разумеется, мы не сможем здесь проанализировать все существующие интерпретации (тем более что они продолжают создаваться), однако постараемся далее кратко рассказать о самых основных из них.

Итак, давайте попробуем посмотреть на все системно и без спешки, начав рассмотрение КМ со «странностей первого рода», о которых мы сказали выше.

Глава 1. Странности микромира, или Странности квантовой физики «первого» рода

Повторюсь еще раз – по моему мнению, именно странности первого рода являются первичными, поскольку именно они отражают парадоксальную и в то же время объективную физическую реальность микромира, зафиксированную в результате множества экспериментов. Все теории, которые будут пытаться объяснить результаты полученных экспериментов (например, квантовая механика), по отношению к ним всегда будут являться вторичными.

Давайте посмотрим на эти странности максимально внимательно.

1.1. Странность «первого» рода №1. Корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц

Эта странность микромира является одной из самых известных в своем роде, она очень хорошо демонстрируется с помощью так называемого двухщелевого эксперимента.

Проводят его следующим образом.

Экспериментаторы берут источник ускоренных электронов («электронную пушку»). Далее этот поток электронов должен встретить на своем пути экран с двумя щелями и, миновав их, попасть на детектор. После этого исследователи строят график распределения количества электронов, которые на него попали (рис. 1).

В обычном случае, если бы мы имели дело, например, не с электронами, а, допустим, с ядрами, которые вылетают из обычной пушки, распределение ядер, прошедших через первую и вторую щель и затем попавших на детектор, соответствовало бы итоговой кривой P12. Очевидно, что бо́льшая часть ядер, пролетевших через первую щель, скопилась бы напротив первой щели, а пролетевших через вторую – напротив второй (см. кривую P12 на рис. 1).

Рис. 1. Распределение ядер при стрельбе из обычной пушки

В случае же с электронами ученые наблюдали совершенно иную картину, похожую на ту, что бывает при прохождении через щели привычных нам… волн (см. рис. 2). Как будто вместо пулемета у нас появлялся быстро ныряющий поплавок! Результаты экспериментов, которые получат исследователи, решившие провести данный эксперимент, показаны на рис. 2 в виде кривой P’12. Максимум электронов будет зарегистрирован в центре детектора (а не напротив щелей), и самих максимумов будет не два, как в предыдущем эксперименте, а больше, и т. д.

Рис. 2. Распределение электронов в двухщелевом эксперименте

Такой график распределения волн в физике действительно появляется только при их интерференции. Механика образования интерференции при наличии двух щелей показана на рис. 3:

Рис. 3. Интерференционная картина при прохождении волн

через две щели

Почему же электроны ведут себя в данном эксперименте так, как волны?

На начальном этапе экспериментаторы думали, что это обусловлено взаимодействием электронов между собой на пути движения от электронной пушки к детектору. В этом случае это было бы логичным – какие-то электроны (так же, как и волны) могли бы друг друга усиливать или ослаблять.

Для того чтобы это проверить, было решено испускать электроны не пучком, а поодиночке, друг за другом, чтобы на всем протяжении пути каждый отдельно взятый электрон не мог столкнуться с другими электронами. Если бы картина интерференции исчезла, эта странность микромира была бы объяснена самым простым и понятным нам образом.

Однако полученная в результате этих экспериментов картина не изменилась! Разумеется, при выполнении эксперимента каждый выпущенный электрон (который «летел» друг за другом с некоторым интервалом) сталкивался с детектором всего в одном месте, но постепенно на детекторе вырисовывалась та же самая интерференционная картина. Этот опыт ясно показывал, что даже единичный электрон вел себя не как единичный объект, а как волна, которая проходила через обе щели одновременно!

Это было крайне интересным. Казалось бы, интерференционная картина действительно показывала, что единичный электрон представляет из себя волну. Исходя из этого можно было предположить, что единичный электрон изначально двигался к двухщелевой пластине в виде одной волны и далее, коснувшись щелей, превращался в две волны (так же, как это делала бы волна воды). Однако, коснувшись экрана, он почему-то не «размазывался» по его поверхности (как это сделала бы обычная волна), а превращался в точку. Физики называют процесс превращения волны электрона в точку коллапсом волны электрона. При этом место такого коллапса (фиксации на экране) каждый раз было различным – время от времени, исходя из интерференционной картины, единичный электрон мог быть зафиксирован, например, на самых дальних точках детектора (точках E и D). Данные точки находятся однозначно дальше от источника волн, чем, например, точки B или C. И тем не менее электрон «выбирал» именно их. Значит, в тот момент, когда электрон фиксировался в точке D, его волна точно не являлась обычной, «плоской» волной (если он все-таки волна), а предпочитала более длинный (и энергетически неэкономичный) путь! Ведь если бы, еще раз, она двигалась как обычная, «стандартная» волна, которая идет «единым фронтом» (допустим, как волна звука или воды, которые нам легко представить), то она неизбежно достигала бы на своем пути сначала ближние точки B и С, т. е. фиксировалась бы именно там! Однако в нашем случае это происходит не так – волна электрона могла «обойти» все ближние точки и зафиксироваться на одной из дальних точек (D, E и т. д.). Отсюда следует, что такая «волна электрона», если она существует, должна была выглядеть как-то иначе, чем обычные волны, к которым мы привыкли в нашей жизни, но как?.. Как может выглядеть «волна», которая, с одной стороны, показывает очень точную интерференцию, а с другой стороны – фиксируется в виде одной-единственной точки, расположенной на различных расстояниях от места своего «входа» при полном отсутствии любых иных видимых следов своей эволюции?

Проблему могла, вероятно, снять мыслительная конструкция, при которой электрон двигался все-таки как частица, но по траектории, определяемой какой-то «хитрой» и пока «невидимой для нас» пространственной волной или полем. Но какой волной или полем? Что они тогда из себя представляют? Из чего состоят? Кто их генерирует? Как они управляют электроном? Куда и как они потом деваются?.. Или в этом случае мы сталкиваемся с какой-то новой «конструкцией» пространственного расположения электронов?..

В любом случае данный эксперимент поставил перед учеными массу вопросов, большинство из которых, увы, оказались не решенными до сих пор!

Но на этом сюрпризы двухщелевого эксперимента не закончились, наоборот, самое интересное открытие было впереди. Конечно же, ученые решили «обхитрить» электрон и, для того чтобы все-таки выяснить, через какую щель он пролетел, установили за пластиной, рядом с одной из щелей, специальный датчик. Если бы этот датчик сработал, это означало бы, что электрон «пролетел» именно через эту щель. Если бы не сработал – это означало бы, что электрон «пролетел» через другую щель.

Разумеется, ученые ставили и два датчика – напротив каждой из щелей – срабатывание обоих датчиков подтвердило бы, что фотон двигается как волна, идущая через обе щели сразу.

Необходимо сказать, что подобные эксперименты были выполнены огромное количество раз, с любыми конструктивными вариантами датчиков. Что же получалось? Любая попытка определить, ⠀через какую из щелей прошел данный электрон (т. е. любая попытка помещения любого работающего детектора в пространство движения электронов), безнадежно нарушала когерентность вторичных электронных волн, в результате чего интерференционная картина… просто исчезала.

После установки любого датчика электроны начинали вести себя как отдельно взятые корпускулярные объекты! После установки такой датчик всегда регистрировал пролет электронов только у одной из щелей – либо у первой, либо у второй. При этом интерференционная картина исчезала, т. е. электроны начинали фиксироваться на экране в соответствии с графиком, приведенным на рис. 1 (график регистрации «пуль»).

Если вернуться к предположению о том, что наш электрон, «пролетев» щели, превращался в две обычные волны, то получается, что, встретив помеху в виде одного из датчиков, одна из электронных волн должна была мгновенно превратиться в точечную частицу, а вторая волна должна была так же мгновенно исчезнуть.

Все это настолько важно, что я предложу вам посмотреть на двухщелевой эксперимент еще раз.

Представьте себе, что наш электрон «вылетел» из источника и двигается в направлении щелей.

Если мы при этом не поставим датчик в цепь эксперимента, то электрон, как мы отмечали ранее, пролетит через обе щели одновременно «как волна». Подтверждением данного вывода будет выступать точка, зафиксированная на экране нашего экранного детектора, которая при повторных экспериментах идеально впишется в математически выверенную интерференционную картину детектирования всех без исключения зафиксированных электронов.

С самой большой вероятностью электрон попадет в середину экрана (находящуюся не на самом коротком расстоянии от любой из щелей), туда, где находится пик самой высокой интерференционной волны на кривой P12 штрих на рис. 2 (см. также точку А на рис. 3).

Если же мы в данном эксперименте поставим датчик, то он мгновенно разрушит интерференционную картину, т. е. путь электрона станет похож на частицу-ядро (см. график на рис. 1). Если поставить датчик у правой щели и он сработает, то тогда говорят, что электрон «пролетел в правую щель». Если поставить датчик у правой щели и он не сработает, то говорят, что электрон «пролетел в левую щель». При этом электрон будет практически гарантированно детектирован напротив той щели, через которую он «пролетит» (см. еще раз график на рис. 1).

Из данного результата следует несколько логических выводов, первый из которых звучит так: электрон всегда «узнаёт» о том, установлен ли датчик в цепи данного эксперимента.

В самом деле, представим, что электрон будет зарегистрирован напротив щели, рядом с которой нет датчика (т. е. он «пролетел далеко» от датчика). Однако в этом случае, как мы уже говорили, электрон также со 100% вероятностью будет зарегистрирован как частица, т. е. он все равно каким-то образом «узнает» о датчике, стоящем у другой щели, – и мы это увидим экспериментально!

Давайте спросим себя: как же электрон может это сделать? Как он может «узнать» о датчике, который стоит у щели, через которую он вроде бы «не летел»?

Это может логически произойти только в одном случае: какое-то поле (давайте назовем его «информационным полем» электрона) должно охватить пространство у обеих щелей.

Это должно выполняться обязательно!

Может ли это сделать одиночное «тело-точка», которое в итоге мы видим на датчике при любом исходе эксперимента? Очевидно, нет.

Значит, в этом месте у нас появляется 4 варианта.

1. Либо электрон в момент выхода из щелей представляет из себя две волны, из которых одна после встречи датчика превращается в «точку» (поэтому в итоге мы и получаем график распределения «частиц»). Вторая же волна тогда, например, в этом случае может просто «бесследно» исчезнуть.

Ну а мы просто не можем ее пока отследить. Волна получается не только «умной» (определяет все типы датчиков), но и «не отслеживаемой».

⠀

2. Либо электрон (который здесь может представлять из себя частицу) «ведет» какая-то одна, такая же вездесущая, таинственная и невидимая нам «волна» (или «поле», или еще какая-то «новая сущность»). Тогда она может «вести» частицу-электрон, подчиняясь следующей логике:

• «вижу» датчик (траекторию электрона можно измерить) – веду его по траектории частицы, т. е. предъявляю электрон в одном месте экрана;

Или просто «исчезаю», оставляя электрон сам по себе.

• «не вижу датчик» (траекторию электрона нельзя измерить) – веду его по «волновой траектории», т. е. предъявляю электрон в другом месте экрана.

3. В развитие предыдущего пункта можно себе представить вариант, при котором электрон вообще никуда не «летит», а сразу после своего появления помещается в другое пространство и время или в нечто, находящееся вне пространства и времени. Далее при наступлении регистрации он извлекается из этого «нечто», помещаясь в ту или иную точку нашего пространства-времени – в зависимости от наличия или отсутствия датчиков, которые могут измерить его траекторию. В этом случае данные действия, вероятно, должна делать некоторая, еще более таинственная и могущественная сила, о которой мы также пока ничего не знаем.

4. Логически возможен и четвертый, экзотический вариант, при котором электрон знает заранее, будет ли стоять датчик или нет. И тогда, в зависимости от этого знания, он будет сразу «вылетать из прибора» в виде частицы или волны. Данный вариант называют «супердетерминизмом», мы его обязательно рассмотрим, но чуть позже.

Прочтите высказанные предположения еще раз и согласитесь – вероятно, пока мы не знаем, как на самом деле «летит» электрон в двухщелевом эксперименте с установленным датчиком или без него – через одну щель или через две. И летит ли вообще (!).

Все, что написано выше, можно назвать не только странным, но и очень странным. Но иных логических объяснений происходящему, к сожалению, похоже, нет. Если вы студент и спросите у своего преподавателя, что происходит в двухщелевом эксперименте, то он вам с высокой степенью вероятности ответит так: при встрече с датчиком произойдет «размыкание» квантовой системы электрона, в результате чего его квантовые свойства будут утеряны.

И вам сразу все станет понятно, не правда ли?

В общем, поведение электрона в этом эксперименте по-прежнему является загадкой, а значит, продолжает будоражить умы ученых уже много десятков лет. Прикрываясь красивыми и, несомненно, производящими впечатление фразами типа «размыкание квантовой системы электрона», фактического ответа на вопрос, что же происходит с электроном в двухщелевом эксперименте, наука не нашла до сих пор.

Мы еще раз рассмотрим корпускулярно-волновую природу элементарных частиц чуть позже, когда будем рассматривать эксперимент про квантовый ластик.

Пока же я предлагаю зафиксировать следующий факт: иногда электрон ведет себя как волна, а иногда – как частица. Как выглядит механизм такой трансформации, как это происходит на самом деле – пока непонятно, поведение электрона в этом смысле по-прежнему остается огромнейшей физической загадкой.