Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Разве это не было бы круто?

Все разные жизненные сценарии, которые только вы могли себе вообразить, происходили бы одновременно. Вы могли бы быть очень богатым и очень бедным, отцом семейства и холостяком, счастливым и грустным, получить Нобелевскую премию и быть немым от рождения, жить здесь и там, сейчас и потом… Вы могли бы реально прожить все жизни, о которых всегда мечтали, и все те, каких не хотели бы иметь.

Но, кажется, так не происходит.

Вы сделаны из квантовой материи, не так ли? Так что так должно было бы быть.

Но это не так.

Почему?

Ну, как ни удивительно, никто не знает. На самом деле, это связано с одной из величайших тайн квантового мира: почему мы не видим квантовые эффекты повсюду вокруг нас?

Будучи созданы из квантовых частиц, выражений квантовых полей, как и все остальное, почему мы воспринимаем мир именно так, а не как частицы на крошечном, субатомном уровне?

Можно утверждать, что таков мир и что физика существует не для того, чтобы подвергать сомнению его законы, а чтобы пытаться расшифровать их.

Существует, однако, небольшая проблема с таким скромным заявлением: законы квантового мира настолько сильно отличаются от нашей ежедневной реальности, что должен существовать своего рода переход между квантовым и классическим миром, – так называется проживаемый нами мир, к которому мы привыкли. Если бы частицы, составляющие наши тела или же находящиеся в воздухе или в космическом пространстве, вели себя как нормальные теннисные или бейсбольные мячи, то все было бы замечательно. Мы бы понимали все, от мельчайших элементов до самых крупных.

Но они себя так не ведут.

Вы уже видели это несколько раз во время путешествий в микромире. Пытаясь поймать электрон, крутящийся вокруг атома водорода, например; помните, как тяжело было для вас понять, где он и с какой скоростью движется? Хорошо, давайте взглянем на этот факт по-другому.

Представьте себя в вашем мини-состоянии. Вы меньше атома. Частица находится на пути к вам. Вы ничего не знаете ни о ней, ни о ее размере, местоположении или скорости приближения. Вы просто знаете, что она подчиняется законам квантового мира.

Вы достаете мини-фонарик из захваченной с собой сумки и готовы включить его, ожидая, что его свет отскочит от частицы, где бы она ни была, и вернется обратно к вам, сообщив ее положение.

Но, чтобы так поступить, вы не можете взять любой свет.

Вы должны использовать только «правильный» свет.

Помните, что свет можно рассматривать как волну? Ну вот, «правильный» свет здесь означает, что расстояние между двумя последовательными гребнями волн (длиной волны) должно быть приблизительно равным размеру вашей цели или меньше. Если взять слишком большую длину волны, свет, который ей соответствует, не заметит частицы вообще. Он выстрелит сквозь нее, как радиоволны, проходящие сквозь стены дома, даже не замечая их. Однако имеющий «правильную» длину волны свет отразится, и вы будете в состоянии сообщить положение вашей частицы с точностью используемой длины. Одновременно вы сможете проверить, какова скорость частицы, и узнаете все, что хотите знать.

Элементарно.

Вы крутите ручку ультрасовременного мини-фонарика, чтобы получить очень мощный импульс. Настроившись, вы стреляете и… бац! Вы во что-то попали. В частицу. Там. Впереди вас. Свет отскочил от нее и вернулся обратно. Время, потребовавшееся для прохождения в обоих направлениях, позволяет точно определить, где находилась частица при попадании, и поэтому частица не может быть нигде больше. После обнаружения частица теряет характеристики квантовой волны. Из всех возможных положений она мгновенно занимает позицию за долю секунды до того, как была поймана вашим фонариком во время эксперимента. Точно так же, когда робот выбросил частицу в белую комнату, она передвигалась повсюду, пока не была обнаружена датчиком. Этот необратимый процесс называется коллапсом квантовой волны.

После наступления коллапса вы знаете, где находится частица, с точностью длины волны. Теперь вы хотите знать, с какой скоростью она передвигалась в точке обнаружения.

Но это не так-то легко.

На самом деле, вы никогда не будете в состоянии точно ответить на такой вопрос.

Никогда.

Помните: чем короче длина волны, тем большей энергией должен обладать соответствующий ей свет.

Таким образом, чем более точное положение вы получаете, тем более мощный свет необходимо использовать для фонарика, тем труднее попасть в частицу – и потому тем меньше известно о ее последующей скорости.

Для нашего мира это тривиальное высказывание.

Попробуйте точно определить в темноте положение движущегося объекта, направив на него что-то светящееся. Воздействие будет влиять на то, что вы собираетесь исследовать. Если свет вернется к вам, вы узнаете, где находился объект при столкновении с ним, но, если вы еще раз направите свет, чтобы узнать, куда двинулся объект, вы увидите, что его скорость изменилась из-за вашего первого воздействия на него.

И правда, тривиально.

Однако в квантовом мире это не просто тривиальная неопределенность. Это глубокое свойство природы. Оно говорит, что вы по большому счету не можете знать, где находится частица и с какой скоростью она движется. Это правило называется принципом неопределенности Гейзенберга в честь открывшего его немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг является одним из отцов-основателей квантовой теории атомного мира. В 1932 году он получил за нее Нобелевскую премию по физике. Он знал, о чем говорит. Но, как и все остальные с тех пор и поныне, он не понимал ее. Она лежит за пределами нашей интуиции и противоречит здравому смыслу.

Принцип неопределенности немедленно делает квантовый мир весьма отличающимся от нашего повседневного, классического мира.

Прямо сейчас вы знаете, где находится книга, которую вы читаете, по отношению к вашему телу и с какой скоростью она движется или не движется. Следовательно, вы знаете ее положение и скорость с довольно высокой степенью точности. Тем не менее относительно обоих параметров существует некоторая неопределенность – неопределенность, слишком незначительная, чтобы ее заметить, и потому она не имеет значения.

Однако в микромире при вашем микроразмере вы бы не смогли удержать в руках книгу или даже фонарик. Если даже вы точно знаете, где лежит мини-копия этой книги, неопределенность в отношении ее скорости будет огромной, поскольку вы направите на нее много частиц просто для определения ее местоположения и никогда не будете в состоянии увидеть ее. Или наоборот, если бы вы точно знали, с какой скоростью движется книга, вам не удалось бы никакими средствами ее обнаружить, что делает ее труднодоступной для чтения. В микромире положение и скорость сливаются в туманной концепции. То же происходит с эффектом Казимира, и поскольку технологии становятся все тоньше, с этой проблемой инженерам приходится сталкиваться все чаще.