Про эту вашу физику - Дмитрий Владимирович Ганин

кота Шрёдингера с квантовым миром. Говоря вкратце, квантовые явления безусловно существуют, но они все такие загадочные только в изолированных системах. Если квантовый объект хорошенько оградить от внешнего мира, то его можно поддерживать в суперпозиции (в когерентном состоянии) довольно долгое, а может, и бесконечное время. Но мы живем в мире, где все и всё зависят друг от друга. В итоге квантовый объект взаимодействует с миром и теряет свои загадочные свойства. Помните закон термодинамики, когда нагретое тело (без продолжающегося нагревания) рано или поздно остывает до температуры окружающей среды? Так вот и с квантовыми событиями похожее явление. Квантомеханическая система, взаимодействуя с окружающей средой, необратимо проявляет классические черты. Чем больше «участников» в такой системе, чем больше атомов, участвующих в процессе, тем быстрее волновая функция схлопнется в одно конкретное состояние. Стабильность «съедает» неопределенность.

Поэтому в случае с котом Шредингера нельзя говорить, что кот жив и мертв одновременно. Благодаря декогеренции, кот встретился со своей судьбой задолго до открытия коробки и парадокса не существует. А также и не существует загадочного «наблюдателя» — измерением мы только ускоряем декогеренцию, то есть связываем закрытую квантовую систему с окружающим миром.

Что ж, в этой лекции вы много узнали о больном воображении этих ваших ученых. Не зря один американский физик, утомившись от попыток коллег интерпретировать сами знаете что, ясно и коротко высказался: заткнись и считай! Этим предлагалось всем, кто занимается квантовой механикой и подобными вещами, прекратить искать объяснения, а сосредоточиться на сборе новой информации. Авось что-нибудь да проявится.

Поэтому в следующей главе мы поговорим об интересных эффектах и следствиях квантового мира без фантазий на тему «а чаво это они».

Глава 13

Неопределенность Гейзенберга

Уважаемые знатоки!

Против вас играет Эрвин Шрёдингер,

физик-теоретик из Вены…

Внимание, черный ящик!

Штош. В наших предыдущих псевдолекциях мы как могли растолковали простому люду про чёртов корпускулярно-волновой дуализм, о том, что вся материя вокруг нас на самом деле имеет волновые свойства, даже кирпич или бутылка коньяка, и что наблюдение за квантовым объектом лишает его вездесущности.

Мы продолжим издеваться над обывателями и расскажем в предельно доступной форме про неопределенность, правящую миром, вызвав у тех, кто профессионально разбирается в предмете тонны ненависти и раздражения.

К сожалению или к счастью, квантовый мир открыл человечеству еще более удивительные вещи, от которых у многих классических физиков навсегда испортилось настроение, и споры о том, является ли вселенная такой, как нам повествует квантмех, длились еще много лет.

Одним из камней преткновения оказалось вычисление местоположения электрона в атоме и его скорости в определенный момент времени. По странным и непонятным причинам ученые никак не могли вывести формулу для расчета обоих значений одновременно. Как вы уже знаете, Эйнштейн говорил, что все эти теоретики — неучи и двоечники, потому что чего-то упускают, и бог, знаете ли, не играет со Вселенной в азартные игры. Нильс Бор попивал пиво и утверждал, что классическая физика вообще не применяется для таких случаев как движение электронов. И тут вундеркинд Гейзенберг заявил: все нормально, мужики, так и должно быть.

Давайте вместе ужаснемся открытию на примере. Если пнуть ногой мяч с точно рассчитанной силой, то удивительная и не всем доступная наука физика, в частности классическая механика, легко ответит нам на вопрос, где будет находиться мяч через пять секунд после пинка и какова его скорость. Это же элементарно: расстояние равно время умножить на скорость. Садись, Вовочка, пять по физике!

Теперь мы пнём электрон. По специальным (но все же классическим) формулам считаем его скорость и местоположение на пятой секунде полета и проверяем экспериментом. И получается что-то невероятное. Предположим, что мы поймали частицу в двух метрах от начала полета, но полученная по результатам эксперимента скорость вообще не такая, да еще и каждый раз разная. Так и наоборот, чем точнее мы знаем скорость, тем хуже себе представляем, где находится частица.

На самом деле ученые предпочитают говорить не о скорости, а об импульсе. Давайте раз и навсегда разберемся с этим термином, хоть он из школьной физики, но мешает расслабленному чтению после тяжёлого рабочего дня составления справок и отчётов. Импульс — это такая характеристика движущегося тела, равная массе этого тела, умноженной на его скорость. Его еще называют количеством движения и измеряют в килограммах на метр в секунду. Чем больше масса движущегося тела, тем больше его импульс. Импульс намекает, как больно нам прилетит в лоб брошеный булыжник, и качество полученной шишки будет зависеть как от массы булыжника, так и от его скорости к моменту прилета в лоб, а также, что важно, от направления, ведь имеется большая разница, как летит булыжник в нашу сторону: перпендикулярно или по касательной. Импульс имеет важное свойство — они никуда не пропадает при столкновении, а передается другому телу (вашему лбу, хе-хе), тем самым создавая всемирный закон сохранения импульса.

Для частицы, которая, как мы помним, типа волна и всё такое, импульс равен постоянной Планка, разделенной на длину волны. Это, кстати, означает, что чем короче длина волны, тем больше ее импульс. Вот почему длинная радиоволна не чувствуется кожей, а ультрафиолет — вполне ощутим в виде загара.

Впрочем, если вам тяжело осознать импульс, то можете очень осторожно при встрече этого словечка далее в тексте заменять его на «скорость». Только никому не говорите, что мы вам это посоветовали. Продолжим?

Из экспериментов следовало, что если бы мы точно знали импульс частицы, то мы бы вообще ничего не знали о ее местонахождении. Она бы с одинаковой вероятностью находилась в любом месте траектории.

Однако в реальности мы все-таки ожидаем увидеть частицу в определенном месте и времени. Значит, надежда на какую-то стабильность все-такие есть. Дело в том, что любая частица, гоняющая по вселенной, находится в суперпозиции своих состояний. В некотором смысле реальную частицу можно считать эдаким волновым пакетом, в котором напихано огромное, читайте, бесконечное количество вариантов длин волн и амплитуд (которые вероятности). И в этом самом пакете все эти состояния интерферируют: волны накладываются друг на друга, в результате чего частица приобретает более скромные вероятности обнаружения своих параметров. Большинство вариантов из-за так называемой деструктивной интерференции становится нереализуемым. Видите? На рисунке высота волны означает вероятность приобретения ею определенного параметра при измерении (наблюдении).

Понятно, что при таком раскладе частица уже