10 надзвичайних речей про квантову фізику
1. Квантовий світ неоднорідний
Квантовий світ має багато спільного із взуттям. Ви не можете просто піти в магазин і вибрати кросівки, які точно підходять вашій нозі. Натомість ви змушені вибирати між парами заздалегідь визначених розмірів.
Альберт Ейнштейн отримав Нобелівську премію за доказ квантування енергії. Так само, як ви можете купити взуття тільки в кількості, кратній половині розміру, так і енергія надходить тільки в кількості, кратному одним і тим же квантам - звідси і назва квантової фізики.
Квантами тут є стала Планка, названа на честь Макса Планка, хрещеного батька квантової фізики. Він намагався вирішити проблему з нашим розумінням гарячих об'єктів, таких як сонце. Найкращі теорії не співпадали із спостереженням за викидом енергії. Запропонувавши квантувати енергію, він зміг акуратно привести теорію у відповідність до експерименту.
2. Щось може бути і хвилею, і частинкою
Дж. Дж. Томсон отримав Нобелівську премію в 1906 за відкриття, що електрони є частинками. І його син Джордж в 1937 році отримав Нобелівську премію за те, що показав, що електрони - це хвилі. Хто мав рацію? Відповідь – обидва. Цей так званий дуалізм хвиля-частинка є наріжним каменем квантової фізики. Це стосується як світла, так і електронів. Іноді корисно думати про світло як про електромагнітну хвилю, але в інших випадках корисніше уявити його у формі частинок, які називаються фотонами.
Телескоп може зібрати хвилі світла від далеких зірок, а також діяти як гігантське світлове відро для збирання фотонів. Це також означає, що світло може чинити тиск, коли фотони врізаються в об'єкт. За словами Расті Швейкарта, голови B612 Foundation, що тиск світла ми вже використовуємо для руху космічних кораблів за допомогою сонячних вітрил, і, можливо, вдасться використовувати ще і для того, щоб вивести небезпечний астероїд з курсу зіткнення з Землею.
3. Предмети можуть знаходитися одразу у двох місцях
Дуальність хвиля-частинка є прикладом суперпозиції. Тобто квантовий об'єкт існує відразу в кількох станах. Наприклад, електрон одночасно знаходиться «тут» та «там». Тільки після того, як ми проведемо експеримент, щоб з'ясувати, де саме він вкладається в одне чи інше.
Це робить квантову фізику винятково ймовірною. Ми можемо сказати, в якому стані об'єкт, швидше за все, знаходиться, лише подивившись. Ці шанси укладені в математичну одиницю, яка називається хвильовою функцією. Кажуть, що спостереження «схлопує» хвильову функцію, руйнує суперпозицію і переводить об'єкт лише в один із багатьох можливих станів.
Ця ідея є основою відомого уявного експерименту з кішкою Шредінгера. Доля кота у закритому ящику пов'язана з квантовою подією. Оскільки подія може існувати в обох станах, поки не буде виконане вимірювання, кішка одночасно жива і мертва, поки ми не подивимося.
4. Це може призвести нас до мультивсесвіту
Ідея про те, що спостереження колапсує хвильову функцію та викликає квантовий «вибір», відома як копенгагенська інтерпретація квантової фізики. Однак, це не єдиний варіант. Прихильники інтерпретації «безліч світів» стверджують, що ніякого вибору тут немає. Натомість у момент проведення виміру реальність розпадається на дві копії самої себе: в одній ми переживаємо результат A, а в іншій бачимо, як розгортається результат B. Це вирішує складну проблему необхідності спостерігача, щоб щось відбувалося – собака вважається спостерігачем чи роботом?
Натомість, що стосується квантової частинки, є тільки одна дуже дивна реальність, що складається з безлічі заплутаних шарів. У міру того, як ми наближаємося до більших масштабів, з якими ми стикаємося день у день, ці шари розплутуються в теорії багатьох світів. Фізики називають цей процес декогеренцією.
5. Це допомагає нам характеризувати зірки
Спектри зірок можуть сказати нам, які елементи вони містять, даючи ключ до розгадки їхнього віку та інших характеристик.
Датський фізик Нільс Бор показав нам, що орбіти електронів усередині атомів також квантуються. Вони бувають заздалегідь певних розмірів, які називаються рівнями енергії. Коли електрон опускається з вищого енергетичного рівня на нижчий енергетичний рівень, він випромінює фотон з енергією, що дорівнює розміру переходу. Так само електрон може поглинути частинку світла і використовувати свою енергію для стрибка на більш високий енергетичний рівень.
Астрономи завжди користуються цим ефектом. Ми знаємо, з чого складаються зірки, тому що коли ми розкладаємо їх світло в спектр, подібний до веселки, ми бачимо відсутні кольори. Різні хімічні елементи мають різну відстань між рівнями енергії, тому ми можемо визначити склад Сонця та інших зірок за відсутніми кольорами.
6. Без цього не світило б Сонце
Сонце отримує енергію завдяки ядерному синтезу. Він представляє собою з'єднання двох протонів - позитивно заряджених частинок в атомі. Однак їх однакові заряди змушують їх відштовхувати один одного, як два північні полюси магніту. Фізики називають це кулонівським бар'єром і це як стіна між двома протонами.
Думайте про протони як про частинки, і вони стикаються зі стіною і розходяться: немає синтезу, немає сонячного світла. Але подумайте про них як хвилі, і це зовсім інша історія. Коли гребінь хвилі сягає стіни, передній край уже пройшов. Висота хвилі показує, де, швидше за все, буде протон. Так що, хоч це навряд чи буде там, де знаходиться передня кромка, іноді воно там є. Це ніби протон прорвався крізь бар'єр, і сталося злиття. Фізики називають цей ефект "квантовим тунелюванням".
7. Він зупиняє схлопування мертвих зірок
Зрештою, синтез на Сонці припиниться, і наша зірка помре. Гравітація переможе, і Сонце впаде, але не нескінченно. Чим менше він стає, тим більше матеріалу скручується. Зрештою, у гру вступає правило квантової фізики, зване принципом виключення Паулі. Це говорить про те, що певним видам частинок, таким як електрони, заборонено існувати в тому самому квантовому стані. Коли гравітація намагається зробити саме це, вона зустрічає опір, який астрономи називають тиском виродження. Колапс припиняється, і формується новий об'єкт розміром із Землю, званий білим карликом.
Проте тиск виродження може чинити лише певний опір. Якщо білий карлик виростає та наближається до маси, що дорівнює 1,4 Сонця, він запускає хвилю злиття, яка розносить його на шматки. Астрономи називають цей вибух наднового типу Ia, і він досить яскравий, щоб затьмарити всю галактику.
8. Це викликає випаровування чорних дірок
Не все, що потрапляє у чорну дірку, зникає – деяка матерія вислизає.
Квантове правило, зване принципом невизначеності Гейзенберга, говорить, що неможливо точно знати дві властивості системи одночасно. Чим точніше ви знаєте одне, тим менш точно знаєте інше. Це відноситься до імпульсу та положення, а також окремо до енергії та часу.
Це трохи схоже на отримання позички. Ви можете зайняти багато грошей на короткий термін або трохи грошей на більший термін. Це призводить до віртуальних частинок. Якщо у природи «запозичено» достатньо енергії, то пара часток може миттєво з'явитися, перш ніж швидко зникнути, щоб не порушити зобов'язання щодо кредиту.
Стівен Хокінг представив цей процес, що відбувається на межі чорної діри, де одна частинка відлітає (як випромінювання Хокінга), а інша поглинається. Згодом чорна діра повільно випаровується, тому що вона не повертає все, що запозичила.
9. Це пояснює великомасштабну структуру Всесвіту
Наша найкраща теорія походження Всесвіту - це Великий вибух. Тим не менш, у 1980-х роках вона була змінена, і до неї була включена інша теорія, яка називається інфляцією. За першу трильйонну трильйонну трильйонну частку секунди космос збільшився від меншого розміру атома до розміру грейпфрута. Це у 1078 разів більше. Роздування еритроцита на стільки ж зробило б його більшим, ніж весь Всесвіт, що спостерігається сьогодні.
Оскільки спочатку Всесвіт був меншим за атом, тому у молодому Всесвіті домінували квантові флуктуації, пов'язані з принципом невизначеності Гейзенберга. Інфляція змусила Всесвіт швидко зростати, перш ніж ці коливання встигли зникнути. Ця сконцентрована енергія в одних областях, а не в інших - є тим, що, на думку астрономів, діяло як насіння, навколо якого зміг зібратися матеріал, щоб сформувати скупчення галактик, які ми спостерігаємо зараз.
10. Це більш ніж трохи страшно
Ейнштейн не лише допоміг довести, що світло є квантовим, а й висловився за інший ефект, який він назвав «жахливою дією на відстані». Сьогодні ми знаємо, що ця «квантова заплутаність» є реальною, але досі не до кінця розуміємо, що відбувається. Припустимо, ми об'єднуємо дві частинки таким чином, що їх квантові стани невблаганно пов'язані чи заплутуються. Один знаходиться у стані A, а інший – у стані B.
Принцип виключення Паулі говорить, що вони не можуть перебувати в тому самому стані. Якщо ми змінимо одне, інше миттєво зміниться, щоб компенсувати. Це відбувається, навіть якщо ми відокремимо дві частинки одна від одної на протилежних сторонах Всесвіту. Це ніби інформація про внесені нами зміни передавалася між ними зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, що, за словами Ейнштейна, неможливо.
Автор Колін Стюарт - письменник-астроном, викладач із Великобританії. Його науково-популярні книги були продані тиражем понад 400 000 примірників по всьому світу і перекладені 21 мовою. Астероїд (15347) Колінстюарт названий на його честь.
Немає коментарів:
Дописати коментар