Поиск

Мы живем в квантовом мире?

Автор: Пол Саттер - астрофизик


Физики пытаются как-то согласовать существование двух разных миров: квантового и макромира.


Посмотрим правде в глаза: квантовая механика действительно сбивает с толку. Все законы физики, привычные для нас, просто теряют смысл в квантовом мире.


Поместите частицу в коробку и согласно классической физике (и здравому смыслу) эта частица должна оставаться в этом ящике вечно. Но в рамках квантовой механики эта частица может запросто оказаться снаружи коробки, когда вы в следующий раз на нее посмотрите. В классическом мышлении вы можете измерить импульс и положение чего угодно с разной степенью точности. В квантовом мире это не так - чем больше вы знаете об одном, тем меньше вы знаете о другом. Это была волна? Или частица? Согласно классической точке зрения, это может быть только чем-то одним. Но как только вы обратитесь к квантовой механике, то вам подскажут, что это что-то может быть и тем и другим.


Квантовый мир чрезвычайно трудно понять, но в какой-то момент его законы начинают уступать дорогу правилам макромира. Каким образом? Мы не до конца уверенны и в попытках ответить на этот вопрос проделали долгий и весьма странный путь.


Один атом за раз


Первым человеком, сделавшим шаг в квантовый мир, был физик Нильс Бор. В начале прошлого века ученые всего мира начали осознавать странное и неожиданное поведение атомных и субатомных систем. После десятилетий изнурительной работы они поняли, что определенные свойства, такие как энергия, входят в отдельные пакеты уровней, называемые «квантами». И хотя физики начали разрабатывать математическую основу для объяснения этих экспериментов, никто еще не разработал полную, последовательную структуру.


Нильс Бор

Бор был одним из первых, кто попытался это сделать. И хотя он не представил полную теорию квантовой механики, он действительно заложил некоторые серьезные основы. Он также продвигал некоторые идеи, которые станут краеугольными камнями современной квантовой теории.



Первым шагом стала его попытка смоделировать атом. В двадцатых годах прошлого столетия мы узнали из множества очень интересных экспериментов, что атом состоит из тяжелого, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного роем крошечных легких отрицательно заряженных электронов. Мы также знали, что эти атомы могут поглощать или испускать излучение только при очень определенных условиях.


Но на что это было похоже?


Бор поместил электроны «на орбиту» вокруг ядра, вальсируя вокруг него, подобно планетам в крохотной солнечной системе. В реальной солнечной системе планеты могут иметь любую орбиту, которая им нравится. Но в атоме Бора электроны могли иметь только определенные заранее орбитальные расстояния.


Перепрыгивая с одной орбиты на другую, атом мог получать или испускать излучение при определенных энергиях. Его квантовая природа была закодирована.


Квантовая связь


Но Бор сделал еще один интересный ход. Он обнаружил, что, когда электроны вращаются очень далеко от ядра, их квантовая природа исчезает, и атом может быть прекрасно описан классическим электромагнетизмом.


Это называлось принципом соответствия, и Бор утверждал, что его модель атома была лучшей. Вы можете иметь любую квантовую теорию, какую захотите, но правильными будут те, которые перетекают в классическую физику при определенных ограничениях. Как в случае его атома, когда электроны ушли далеко от ядра.


Модель атома Бора была неполной и впоследствии была заменена моделью валентной оболочки, которая сохраняется и по сей день. Но его принцип соответствия все еще актуален, и он стал маяком, который позволял физикам строить и выбирать математическую модель для описания субатомного мира.


Но Бор на этом не остановился. Он утверждал, что, хотя этот принцип соответствия допускает связь между квантовым и классическим мирами, эти два мира не одинаковы.


Примерно в то же время, когда Бор ломал голову над всем этим, его хороший приятель - Вернер Гейзенберг придумал свой известный принцип неопределенности. Попробуйте измерить положение крошечной частицы, и вы в конечном итоге потеряете информацию о ее импульсе. Попробуйте пойти в обратном направлении, пытаясь зафиксировать ее импульс, и вы окончательно потеряете ее положение.


Бор взял эту идею и применил. Он рассматривал принцип неопределенности Гейзенберга как часть квантового мира: все происходит парами. Рассмотрим самую известную пару в квантовом мире - волну и частицу. В классических системах что-то является либо просто волной, либо частицей. Вы можете выбрать один или другой, чтобы классифицировать поведение. Но в квантовой механике эти два свойства едины: все одновременно является и частицей, и волной, и всегда проявляет некоторые свойства обоих.



Кроме того, в основе квантовых правил лежат вероятности - квантовая механика в среднем воспроизводит только классическую физику. Основываясь на этих двух взглядах, Бор утверждал, что квантовая теория никогда не сможет объяснить классическую физику. Другими словами, атомы и им подобные действуют по одному набору правил, а поезда и люди действуют по другому набору правил. Они могут и должны быть связаны через принцип соответствия, но в остальном они живут отдельной и параллельной жизнью.


Был ли Бор прав? Некоторые физики утверждают, что мы просто недостаточно усердно работали, и что мы в основном живем в квантовом мире, и что мы можем воспроизвести классическую физику по чисто квантовым правилам. Другие физики утверждают, что Бор закрыл этот вопрос, и нам больше не нужно поднимать эту тему. Большинство просто опускают головы и копаются в математике, не слишком заботясь об этом.


Но все же, тут есть о чем подумать.


Источник: Livescience

Просмотров: 0
Обратная связь: firefly.sciencemagazine@gmail.com
  • Facebook
  • Twitter
  • YouTube
  • Vkontakte Social Иконка
  • Instagram

 Copyright © "Светлячок" 2019 Все права защищены

Любое использование либо копирование материалов или подборки материалов сайта, элементов дизайна и оформления допускается лишь с разрешения правообладателя и только со ссылкой на источник: www.firefly24.net