Картина квантовых событий в микромире, рисуемая уравнением Шрёдингера, такова, что частицы уподобляются отдельным приливным волнам, распространяющимся по поверхности океана-пространства. Со временем гребень волны (соответствующий пику вероятности нахождения частицы, например электрона, в пространстве) перемещается в пространстве в соответствии с волновой функцией, являющейся решением этого дифференциального уравнения. Соответственно, то, что нам традиционно представляется частицей, на квантовом уровне проявляет ряд характеристик, свойственных волнам.
Согласование волновых и корпускулярных свойств объектов микромира (см. Соотношение де Бройля) стало возможным после того, как физики условились считать объекты квантового мира не частицами и не волнами, а чем-то промежуточным и обладающим как волновыми, так и корпускулярными свойствами; в ньютоновской механике аналогов таким объектам нет. Хотя и при таком решении парадоксов в квантовой механике всё равно хватает (см. Теорема Белла), лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.
Квантовая механика родилась как необходимость, чтобы объяснить результаты некоторых опытов, которые не могла объяснить классическая теория.
Первое. Возникли трудности с опытом Юнга. Не понятно было, как одна и та же частица может пролезать через две разные щели одновременно. Родился корпускулярно-волновой дуализм, который никому невозможно представить. Все должны просто в это верить и запомнить это. Других опытов, подтверждающих этот дуализм, пока не наблюдается. Опыт Юнга и ошибки в его истолковании можно найти по ссылке.
Второй казус возник с планетарной моделью атома Резерфорда. Когда он представил свою модель, то мудрецы сразу же выдвинули теорию: электрон, вращается с большой скоростью вокруг ядра в результате чего должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. А этот электрон никуда не падал и никуда не улетал. Но то ли эти мудрецы забыли или и не знали об опытах Кауфмана и наличие у ядра магнитного поля (может быть тогда об этом никто не знал) так как не учли все это в своих рассуждениях.
Пришлось Бору постулировать: у атома есть такие уровни (орбиты), где электрон летает и ничего не излучает. Все остолбенели и перестали искать силы, которые не позволяют электрону упасть на ядро, а про силы, удерживающие электрон в составе атома, даже и не думали, да и сейчас ученые и не подозревают, что такие силы существуют в виде обменного фотона.
Если вы думаете, что некоторые вещи из мира науки вас не касаются, вы глубоко ошибаетесь. Даже то, что кажется очень далеким в некотором роде влияет на вашу жизнь. Это относится и к квантовой механике. Она тоже часть нашего мира.
14 декабря 1900 года в мире физике родилась принципиально новая теория, впоследствии выросшая в невероятную для простого обывателя и не менее странную для физиков квантовую механику.
В начале 20 века поняли, что в атоме есть ядро и электрон. И попытались определить свойство электрона, в том числе и его поведение в различных условиях.
Оказалось, что электрон очень хитрая штука, и чтобы описать его поведение (вообще, механика изучает движение тел, но назвать поведение электрона «движением», как-то не могу, все таки это нечто другое, а не движение в общепринятом смысле) нужна особая наука, ее и назвали квантовая механика. С тех пор, более менее изучили взаимодействие с остальным миром только электронов, причем лучше всего в атоме водорода, где он один.
Сейчас, конечно, квантовая механика пытается описывать поведение всех частиц внутри атома, но по сравнению с электроном, с которым еще далеко не все понятно, со всем остальным, вообще беда! Так что, можно пока еще понимать квантовую механику, как науку о «движении» электронов внутри атома.
А что даст полное понимание квантовой механики…да кто ж это скажет, пока еще не поняли?! Кто бы мог сказать в 19 веке, к чему приведет частичное понимание строения атома? А в 20 веке, еще ничего до конца не поняв, смогли делать атомные реакторы и ядерные и термоядерные бомбы.
Понятно, что квантовая механика рано или поздно приведет к новым источникам энергии, все-таки распад Урана и Плутония, и даже синтез водорода освобождает только малую часть энергии скрытую в атоме.
Наш мир устроен невероятно сложно. Если посмотреть в телескоп, то перед нами откроется целая Вселенная, бесконечная и расширяющаяся все быстрее и быстрее. От одной мысли о том, что в одной лишь наблюдаемой Вселенной существует около 10 триллионов галактик, может закружится голова. Это невероятно!
Как и многочисленные предположения о существовании Мультивселенной и параллельных реальностей. К слову сказать, современная физика изобилует подобными идеями, но мы с вами остановимся на одной из, по моему скромному мнению, самых интересных из них – многомировой интерпретации квантовой механике или интерпретации Эверетта. В 1954 году, будучи аспирантом Принстонского университета, физик Хью Эверетт пришел к революционной интерпретации нерелятивистской квантовой механике, которую полностью развил за два последующий года.
Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.
ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
ГЛАВА 3
С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?
Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.
Альберт Эйнштейн увидел этот назревавший результат уже в ноябре 1916 года. Годом ранее он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация является не силой, действующей в пространстве, а свойством самого пространства-времени. Шар, брошенный высоко вверх, по дуге возвращается к земле, потому что Земля так искажает окружающее его пространство-время, что пути шара и земли снова пересекаются. В письме к другу Эйнштейн размышлял о проблеме объединения общей теории относительности и его другого детища – зарождавшейся квантовой механики. Получалось, что, если объединение состоится, разговорами о том, что пространство искажается, ограничиться не удастся: придётся вести речь о его демонтаже. Обдумывая математические расчёты, он плохо понимал, с чего следует начать. «Как же я измучил себя на этом пути!» – написал он.
Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.
Вглубь чёрной дыры
Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, – это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.
Лучше всего исследовать квантовую гравитацию с помощью чёрных дыр. «Они самые подходящие объекты для проведения экспериментов», – говорит Тед Джекобсон (Ted Jacobson) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (University of Maryland, College Park). Он и другие теоретики изучают чёрные дыры как теоретические точки опоры. Что произойдёт, если взять уравнения, которые отлично работают в ходе лабораторных исследований, и применить их для чёрной дыры – самого экстремального объекта? Проявится ли какой-нибудь тонкий изъян?
Согласно общей теории относительности, стоит какому-то материальному предмету попасть в центр чёрной дыры – и он окажется бесконечно сжатым. Это математический тупик, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию попавшего в чёрную дыру предмета за пределы сингулярности; там пресекается не только траектория, но и линия времени. Даже говорить про «там» проблематично, ибо само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестаёт существовать. Исследователи надеются, что квантовой теории удастся выступить в роли микроскопа, дающего возможность разглядеть, что происходит с материальным предметом, попадающим в сингулярность.
На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это – физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.
Очень похожая проблема встала перед физиками в конце 1800-х годов, когда они исследовали математику «чёрного тела», идеализированная модель которого представляет собой полость, заполненную электромагнитным излучением. Согласно теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, такой объект должен поглощать всё падающее на него излучение и никогда не сможет прийти к равновесию с окружающей средой. «Он поглощает бесконечное количество тепла из резервуара, температура которого остаётся постоянной», – объясняет Рафаэль Соркин (Rafael Sorkin) из Института теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) в Онтарио. Говоря на языке термодинамики, температура этого объекта фактически равна абсолютному нулю. Данный вывод противоречит результатам наблюдения за реальными чёрными телами (такими как печь). Опираясь на исследования Макса Планка, Эйнштейн показал, что чёрное тело может достичь теплового равновесия, если излучаемую энергию получают дискретные единицы, или кванты.
Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.
Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.