квантовая вселенная

Как устроено то, что мы не можем увидеть

Два английских физика, один из которых занимается изучением элементарных частиц (Брайан Кокс), а другой является профессором кафедры теоретической физики в университете г. Манчестер (Джефф Форшоу) знакомят нас с фундаментальной моделью устройства мира.

Используя доступный язык, многочисленные рисунки и удачные аналогии, авторы смогли объяснить трудные для понимания понятия квантовой физики.

Брайан Кокс, Джефф Форшоу:

Цель этой книги — сорвать покровы таинственности с квантовой теории — теоретической конструкции, в которой путаются слишком многие, включая даже самих первопроходцев в этой отрасли. Мы намерены использовать современную перспективу, пользуясь наработанными за век уроками непредусмотрительности и развития теории. Однако на старте путешествия мы перенесемся в начало XX века и исследуем некоторые проблемы, заставившие физиков радикально отклониться от того, что ранее считалось магистральным направлением науки.

Содержание

1. Что-то странное грядет

Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.

2. В двух местах одновременно

Самые необычные предсказания квантовой теории обычно проявляются в поведении малых объектов. Но поскольку большие объекты состоят из малых, при определенных обстоятельствах квантовая физика требуется для объяснения свойств одних из самых крупных объектов во Вселенной — звезд.

3. Что такое частица?

Определившись с тем, что описание электрона во многих отношениях подражает поведению волн, мы должны выработать более точные понятия о самих волнах. Начнем с описания того, что происходит в цистерне с водой, когда две волны встречаются, смешиваются и интерферируют друг с другом. Представим максимумы волн в виде циферблатов со стрелкой на 12 часов, а минимумы — в виде циферблатов со стрелкой на 6. Мы можем отобразить и промежуточные между минимумом и максимумом положения волн, нарисовав циферблаты с промежуточным временем, как и в случае с фазами между новой и полной Луной.

4. Все, что может случиться, действительно случается

Принцип неопределенности Гейзенберга

В своей оригинальной работе Гейзенберг сумел оценить отношения между точностью измерения положения и импульса частицы. Принцип неопределенности Гейзенберга — одна из самых неправильно понимаемых частей квантовой теории, тропинка, по которой всякие шарлатаны и поставщики вздора проталкивают свою философскую ерунду.

Вывод принципа неопределенности Гейзенберга из теории циферблатов

Три циферблата, показывающие одинаковое время и расположенные на одной линии, описывают частицу, в начальный момент находящуюся где-то в области этих циферблатов. Нас интересует, каковы шансы на то, чтобы найти частицу в точке X в некоторый последующий момент времени.

Краткая история постоянной Планка

Планк разрушил первые камни в основании Максвеллова представления о свете, показав, что энергия света, излучаемого нагретым телом, может быть описана, только если она испускается квантами.

Обратно, к принципу неопределенности Гейзенберга

Теория квантовой механики, которую мы разработали, предполагает, что, если поместить песчинку в какую-то точку, позднее она может оказаться в любом другом месте Вселенной. Но очевидно, что с настоящими песчинками так не происходит. Первый вопрос, на который нужно ответить, звучит так: сколько раз будут повернуты стрелки часов, если мы переместим частицу с массой песчинки на расстояние, например, 0,001 мм за одну секунду?

5. Движение как иллюзия

Задав начальную группу с помощью часов, показывающих разное, а не одинаковое время, мы пришли к описанию движущейся частицы. Интересно, что мы можем установить очень важную связь между часами со сдвинутыми стрелками и поведением волн.

Волновые пакеты

Частица с хорошо известным импульсом описывается большой группой циферблатов. Точнее говоря, частица с совершенно точно известным импульсом будет описана бесконечно длинной группой циферблатов, что означает бесконечно длинный волновой пакет.

6. Музыка атомов

Сейчас мы можем применить накопленные знания для решения вопроса, который ставил в тупик Резерфорда, Бора и других ученых в первые десятилетия XX века: что именно происходит внутри атома? …Здесь мы впервые попытаемся с помощью нашей теории объяснить явления реального мира.

Атомный ящик

Кажется, нам удалось выработать правильный взгляд на атомы. Но все же кое-что не совсем так. Не хватает последнего кусочка головоломки, без которого невозможно объяснить структуру более тяжелых атомов, чем водород. Если говорить более прозаично, нам также не удастся объяснить, почему мы, собственно, не проваливаемся сквозь землю, что создает проблемы для нашей замечательной теории природы.

7. Вселенная на булавочной головке (и почему мы не проваливаемся сквозь землю)

Материя способна быть стабильной, только если электроны будут подчиняться так называемому принципу Паули — одному из самых удивительных явлений в нашей квантовой Вселенной.

8. Взаимозависимость

До этого времени мы уделяли пристальное внимание квантовой физике изолированных частиц и атомов. Однако наш физический опыт связан с восприятием множества сгруппированных между собой атомов, и уже поэтому пора начать разбираться с тем, что происходит, когда атомы группируются.

9. Современный мир

Транзистор — самое важное изобретение за последние 100 лет: современный мир построен на полупроводниковых технологиях и сформирован ими.

10. Взаимодействие

Начнем с формулировки законов первой открытой квантовой теории поля — квантовой электродинамики, сокращенно QED. Истоки этой теории восходят к 1920-м годам, когда Дираку с особенным успехом удалось поставить электромагнитную теорию Максвелла на квантовые рельсы.

Проблема измерения в квантовой теории

Мы можем двигаться вперед, считая, что мир необратимо изменился в результате измерения, даже если на самом деле ничего подобного не произошло. Но все это не так важно, когда дело доходит до серьезной задачи — вычисления вероятности, что нечто произойдет при постановке эксперимента.

Антиматерия

Электроны, движущиеся назад во времени, выглядят как «электроны с положительным зарядом». Такие частицы действительно существуют и называются «позитронами».

11. Пустое пространство не такое уж пустое

Вакуум — это очень интересное место, полное возможностей и препятствий на пути частиц.

Стандартная модель физики частиц

Стандартная модель действительно содержит лекарство от болезни повышенных вероятностей, и это лекарство известно под названием хиггсовского механизма. Если оно верно, то Большой адронный коллайдер должен обнаружить еще одну природную частицу — бозон Хиггса, после чего наши взгляды на содержимое пустого пространства должны кардинально измениться.

Происхождение массы

Вопрос о происхождении массы особенно замечателен тем, что ответ на него ценен и помимо нашего очевидного желания узнать, что такое масса. Попытаемся объяснить это довольно загадочное и странным образом сконструированное предложение более подробно

Эпилог: смерть звезд

Умирая, многие звезды заканчивают свой путь в качестве сверхплотных шаров ядерной материи, переплетенной с множеством электронов. Это так называемые белые карлики. Такой будет и судьба нашего Солнца, когда оно примерно через 5 миллиардов лет исчерпает запасы ядерного топлива

Для дальнейшего чтения

При подготовке этой книги мы использовали многие другие работы, и некоторые из них заслуживают особого упоминания и рекомендаций.

Кокс Б., Форшоу Д. Квантовая вселенная.
Как устроено то, что мы не можем увидеть. М.: МИФ. 2016.

из клети в сетиИз клети в сети
Реабилитация для зэка
— это значит никогда не успокаиваться и не расслабляться...
истины своими словамиИстины своими словами
О друзьях и предателях, о тюрьмах и зонах, о добре, зле и вере в Бога...
усталые зэки Не злитесь на небо, усталые зэки
Сборник стихов, в основе которых — опыт современного арестанта.
фсин ФСИН: путь из сумрака
Уникальные факты и обстоятельства работы системы исполнения наказаний.