10 мифов о квантовой Вселенной

На протяжении веков законы физики казались полностью детерминированными. Если мы знали, где находится каждая частица, как быстро она движется и какие силы были между ними в любой момент, мы бы точно знали, где они будут и что будут делать в любой момент в будущем. От Ньютона до Максвелла законы, управляющие Вселенной, не имели встроенной, присущей им неопределенности ни в какой форме. Единственные ограничения возникали из ограниченности знаний, измерений и вычислительной мощности.

Все это изменилось чуть более 100 лет назад, когда стало ясно, что чтобы мы ни пропускали через двойную щель, от радиации и фотоэлектрического эффекта до поведения света, то мы можем только предсказать вероятность того, что различные результаты возникнут как следствие квантовой природы нашей Вселенной. Но наряду с этой новой, нелогичной картиной реальности возникло много мифов и заблуждений. Вот что говорит реальная наука о 10 наиболее распространенных из них.

1) Квантовые эффекты возникают только в малых масштабах.

Когда мы думаем о квантовых эффектах, мы обычно думаем об отдельных частицах (или волнах) и странных свойствах, которые они проявляют. Но случаются крупномасштабные макроскопические эффекты, которые по своей природе являются квантовыми.

Проводящие металлы, охлажденные до определенной температуры, становятся сверхпроводниками, в которых сопротивление падает до нуля. Построение сверхпроводящих дорожек, когда магниты поднимаются над ними и движутся вокруг них, никогда не замедляясь, является в наши дни обычным студенческим научным проектом, основанным на квантовых эффектах.

Сверхтекучие жидкости могут быть созданы в больших, макроскопических масштабах, как и квантовые барабаны, которые одновременно вибрируют и не вибрируют. За последние 25 лет было вручено 6 Нобелевских премий за различные макроскопические квантовые явления.

2) Квант всегда означает «дискретный».

Идея о том, что вы можете разделить материю (или энергию) на отдельные порции — или кванты — является важной концепцией в физике, но она не в полной мере охватывает то, что означает, что что-то является «квантовым» по природе. Например: рассмотрим атом. Атомы состоят из атомных ядер со связанными с ними электронами.

Теперь подумайте над этим вопросом: где находится электрон в любой момент времени?

Даже если электрон является квантовой сущностью, его положение неопределенно, пока вы не измерите его. Возьмите много атомов и свяжите их вместе (например, в проводнике), и вы зачастую обнаружите, что, хотя существуют отдельные энергетические уровни, которые занимают электроны, их положения могут буквально быть где угодно в проводнике. Многие квантовые эффекты носят непрерывный характер, и вполне возможно, что пространство и время на фундаментальном квантовом уровне также являются непрерывными.

3) Квантовая запутанность позволяет информации перемещаться быстрее, чем свет.

Вот эксперимент, который мы можем выполнить:

• создать две запутанные частицы,
• разнести их на большое расстояние друг от друга,
• измерить определенные квантовые свойства (например, спин) одной частицы на одном конце,

и мы сможем узнать некоторую информацию о квантовом состоянии другой частицы мгновенно: быстрее, чем скорость света.

Но в этом эксперименте есть одна вещь: никакая информация не передается быстрее скорости света. Все, что происходит, заключается в том, что, измеряя состояние одной частицы, мы ограничиваем возможные результаты для другой частицы. Если кто-то берет и измеряет другую частицу, то у него не будет возможности узнать, что первая частица была измерена, а запутанность была разрушена. Единственный способ определить, была нарушена запутанность или нет, состоит в том, чтобы снова свести воедино результаты обоих измерений: процесс, который может происходить только со скоростью света или медленнее. Никакая информация не может быть передана быстрее, чем свет; это было доказано еще в теореме 1993 года.

4) Суперпозиция имеет фундаментальное значение для квантовой физики.

Представьте, что у вас есть несколько возможных квантовых состояний, в которых может находиться система. Может быть, она может находиться в состоянии «A» с вероятностью 55%, состоянии «B» с вероятностью 30% и состоянии «C» с вероятностью 15%. Однако, когда бы мы ни проводили измерения, мы никогда не увидим соединение этих возможных состояний; мы получим только один результат: «А», «В» или «С».

Суперпозиции невероятно полезны в качестве промежуточных этапов расчета, чтобы определить, какими будут наши возможные результаты (и их вероятности), но мы никогда не сможем измерить их напрямую. Кроме того, суперпозиции не применяются ко всем измеримым параметрам одинаково, так как мы можем иметь суперпозицию импульса частицы, но не ее положения и наоборот. В отличие от запутывания, которое является фундаментальным квантовым явлением, суперпозиция не поддается количественной или универсальной оценке.

5) Нет ничего плохого в том, чтобы выбирать более предпочтительную квантовую интерпретацию.

Физика это все то, что вы можете предсказывать, наблюдать и измерять в этой Вселенной. Тем не менее, в квантовой физике существует множество способов понять, что происходит на квантовом уровне, и все они в равной степени будут согласовываться с экспериментами. Реальность может быть:

• ряд квантовых волновых функций, которые мгновенно «коллапсируют» при выполнении измерения,
• бесконечный «ансамбль» квантовых волн, где измерение выбирает одного «исполнителя» из ансамбля,
• суперпозиция движущихся вперед и назад потенциалов, которые встречаются в «квантовом рукопожатии»,
• бесконечное количество возможных миров, соответствующих возможным результатам, где мы просто находимся на одной из траекторий их эволюции,

а также многие другие.

Тем не менее, предпочтение одного толкования другому ничего нам не дает, кроме, возможно, укоренения в наших собственных человеческих предубеждениях. Лучше изучить то, что мы можем наблюдать и измерить в различных физических условиях, которые физически реальны, чем предпочесть интерпретацию, которая не имеет экспериментального преимущества перед другими.

6) Благодаря квантовой механике возможна телепортация.

На самом деле существует реальное явление, известное как квантовая телепортация, но оно наиболее определенно не означает, что реально возможно телепортировать физический объект из одного места в другое. Если вы берете две запутанные частицы и оставляете одну рядом, другую отправляя на желаемое расстояние, вы можете телепортировать информацию из неизвестного квантового состояния с одного конца на другой конец.

Это имеет серьезные ограничения, однако, в том числе то, что это работает только для отдельных частиц, и что может быть телепортирована только информация о неопределенном квантовом состоянии, а не какая-либо физическая материя. Даже если бы вы могли масштабировать это для передачи квантовой информации, которая кодирует все человеческое существо, передача информации — это не то же самое, что передача материи: вы никогда не сможете телепортировать человека с помощью квантовой телепортации.

7) В квантовой Вселенной все неопределенно.

Некоторые вещи являются неопределенными, но многие вещи чрезвычайно четко определены и хорошо известны в квантовой Вселенной. Например, если вы берете электрон, вы не можете точно и одновременно знать:

его положение и его импульс,

или его момент импульса в нескольких, взаимно перпендикулярных направлениях,

при любых обстоятельствах.

Но некоторые вещи об электроне могут быть точно известны! Мы можем знать его массу покоя, его электрический заряд или его время жизни (которое кажется бесконечным) с точной уверенностью.

Единственными вещами, которые являются неопределенными в квантовой физике, являются пары физических величин, которые имеют определенную связь между ними: это пары сопряженных переменных. Вот почему существуют неопределенные отношения между энергией и временем, напряжением и свободным зарядом или угловым моментом и угловым положением. Хотя многие пары величин имеют присущую им неопределенность, многие величины все же точно известны.

8) Каждая частица одного типа имеет одинаковую массу.

Если бы вы могли взять две одинаковые частицы — например, два протона или два электрона — и положить их на абсолютно точные вес, то они бы всегда имели одинаковую массу в этой паре. Но это только потому, что протоны и электроны являются стабильными частицами с бесконечным временем жизни.

Если вместо этого вы взяли нестабильные частицы, которые распадаются через некоторое время — например, два верхних кварка или два бозона Хиггса — и поместили их на абсолютно точные весы, вы бы не получили одинаковые значения. Это потому, что существует внутренняя неопределенность между энергией и временем: если частица живет только в течение конечного промежутка времени, то существует внутренняя неопределенность в количестве энергии (и, как следует, из E = mc², массы покоя), которую имеет частица. В физике элементарных частиц это называется «шириной» частицы, и это может привести к тому, что собственная масса частицы будет неопределенной с точностью до нескольких процентов.

9) Сам Эйнштейн отрицал квантовую механику.

Это правда, что у Эйнштейна была известная цитата о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной». Но аргумент против фундаментальной случайности, присущей квантовой механике, — то, о чем был смысл этой цитаты, — аргументирует, как интерпретировать квантовую механику, а не аргумент против самой квантовой механики.

Фактически, аргумент Эйнштейна заключался в том, что во Вселенной может быть больше взаимосвязей, чем мы можем обнаружить в настоящее время, и если бы мы могли понять законы, которые мы пока еще не раскрыли, возможно, то, что кажется нам случайным сейчас, могло бы раскрыться глубже в неслучайной истине. Хотя эта позиция не принесла полезных результатов, исследования основ квантовой физики продолжают оставаться активной областью исследований, успешно исключая ряд интерпретаций, включающих «скрытые переменные», присутствующие во Вселенной.

10) Обмен частиц в квантовой теории поля полностью описывают нашу Вселенную.

Это «маленький грязный секрет» квантовой теории поля, который физики изучают в аспирантуре: метод, который чаще всего используется для расчета взаимодействий между любыми двумя квантовыми частицами. Физики визуализируют это как обмен частиц между этими двумя квантами, наряду со всеми возможными дальнейшими обменами, которые могут произойти в качестве промежуточных шагов.

Если бы мы могли экстраполировать это на все возможные взаимодействия — на то, что ученые называют произвольными порядками зацикливания — это оказалось бы бессмыслицей. Данная техника является лишь приближением: асимптотический не сходящийся ряд, который разбивается на определенное число членов. Это невероятно полезная картина, но в основном неполная. Идея виртуального обмена частицами неотразима и интуитивна, но вряд ли является окончательным ответом на тайны Вселенной.

Перевод статьи «10 Myths About The Quantum Universe» Итана Сигела/Ethan Siegel 

Источник: Яндекс Дзен. FUTURYCON