Живем ли мы в квантовом мире?

Квантовый мир-2

Нужно признать, квантовая механика  —  сложная штука. В квантовом мире все привычные нам правила физики просто не работают.

Давайте представим частицу в коробке. Согласно классической физике (да и чисто интуитивно), частица должна навсегда остаться в этой коробке. Но по законам квантовой механики, когда вы в следующий раз посмотрите на эту частицу, она может запросто оказаться снаружи. Согласно классическим законам, вы можете с любой точностью измерить ускорение и положение чего угодно. В квантовом мире, чем больше вы узнаете об ускорении, тем меньше вы знаете о положении, и наоборот.

Волна или частица? С классической точки зрения, вы можете выбрать лишь одно из двух. В квантовой механике объект может быть и тем, и другим одновременно.

Квантовый мир сложно понять, но на некотором уровне правила субатомного мира начинают уступать законам макроскопического мира. Как же это происходит? Ученые по-прежнему не уверены, и в попытке ответить на этот вопрос был пройден немалый путь.

Квантовый мир

Атом за атомом

Первым, кто придумал рабочие названия для квантового мира, был Нильс Бор. В начале 1900-х годов ученые по всему миру начали замечать странное и непредсказуемое поведение атомных и субатомных систем. После нескольких десятилетий кропотливой работы они поняли, что некоторые параметры, вроде энергии, исчисляются дискретными «порциями» —  квантами. Тогда физики лишь намечали математические основы, которые объясняли бы результаты экспериментов. Никто еще не придумал прочную базу.

Бор был одним из первых, кто попробовал это сделать. И пусть он не смог разработать полноценную теорию квантовой механики, он заложил многие основы и продвигал некоторые из идей, которые в итоге стали базой современной квантовой теории.

Первая из этих идей заключалась в создании модели атома. В 1920-х годах ученые с помощью экспериментов догадались, что атом состоит из тяжелого, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного роем маленьких, легких, отрицательно заряженных электронов. Физики также узнали, что атомы могут поглощать и излучать лишь определенные уровни энергии.

Но… как выглядит атом?

Бор поместил электроны «на орбиты» вокруг ядра, как планеты в звездной системе. В реальной звездной системе планеты могут занять почти что любую орбиту. В атоме Бора электроны могли находиться лишь на конкретном предопределенном расстоянии от ядра.

Чтобы электрон мог перепрыгнуть с орбиты на орбиту, атом должен был получить или выплеснуть энергию определенного уровня. Виной тому его квантовая природа.

Связь с квантовым миром

На этом Бор не остановился. Есть немало вариаций квантовой модели атома, почему же Бор остановился на той конкретной? Он выяснил, что, когда электроны находятся на очень дальних орбитах, их квантовая природа пропадает, и атом можно описать классическим электромагнетизмом: просто две заряженные частицы.

Такое соотношение теорий называют принципом соответствия. И именно поэтому Бор считал, что его модель наилучшая. Вы можете придумать любые квантовые теории, но лучшими из них будут те, которые будут в определенных условиях объясняться классической физикой. В случае с атомом Бора, это происходило, когда электроны оказывались достаточно далеко от ядра.

И все же «Планетарная» модель Бора была неполной. Позже ее заменила волновая модель электронной оболочки, которая используется по сей день. А вот введенный Бором принцип соответствия по сей день является одной из основ всех квантовых теорий.

Несмотря на уверенность ученого в выполнении принципа соответствия, Бор настаивал на том, что квантовый и классический миры  —  это не одно и то же.

Прав ли был Бор?

Примерно в то же время, когда Бор работал над своей теорией, его друг Вернер Гейзенберг продумывал принцип неопределенности. Попробуйте измерить расположение частицы, и вы потеряете всю информацию о ее ускорении. Попробуйте измерить ускорение, и вы потеряете ее положение.

Бор взял эту идею за основу. Он считал принцип неопределенности Гейзенберга частью более широкого аспекта квантового мира — того факта, что всё существует парами. Возьмем самую известную такую пару: волну и частицу. В классических системах нечто может быть либо волной, либо частицей. В квантовой механике эти два свойства совмещаются в одном объекте.

К тому же в своей основе все квантовые законы полагаются на вероятности. Классическая физика получается лишь “в среднем”. Опираясь на эти две идеи, Бор утверждал, что квантовая теория никогда не сможет объяснить обычную классическую физику. Другими словами, атомы и их сородичи оперируют под одним наборов законов, а поезда и люди  —  под иным. Эти законы должны быть связаны принципом соответствия, но в остальном они существуют по-отдельности.

Прав ли был Бор? Некоторые физики считают, что они еще недостаточно изучили квантовый мир, и что в основе своей мы все же живем в квантовом мире, а законы классической физики можно вывести из законов квантовой. Другие ученые считают, что Бор был прав, и нам не стоит тратить так много времени на обсуждение этого аспекта. Конечно, большинство физиков не высказывается, а просто продолжает делать вычисления и выводить формулы.

Однако тема стоит того, чтобы над ней подумать.

 — 
Источник: Funscience со ссылкой на Live Science.
Материал написан по статье астрофизика Пола Саттера из Университета штата Огайо.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*