Если вы любите загадочные словосочетания, то на первом месте среди них наверняка стоит «квантовая физика». Для многих это что-то сродни магии, которая появляется из ниоткуда и уходит в никуда. Вот только на деле все сложнее, но мы постараемся объяснить это простым языком.
Квантовая физика — часть физики, изучающая поведение субатомных частиц на мельчайших расстояниях, где проявляются загадочные квантовые эффекты и перестает работать общая теория относительности. Квантовая физика, несмотря на свою сложность и порой нелогичность, все же считается самым точным и проверенным звеном науки.
Множество предсказанных квантовой механикой явлений были обнаружены экспериментально и взяты на вооружение: квантовое туннелирование, квантовая запутанность, принцип неопределенности и многое другое. Как сказал однажды Роберт Фейнман, «квантовую физику не понял никто». Никто не понял, но все используют.
Итальянский физик-теоретик, основоположник теории петлевой квантовой гравитации Карло Ровелли в своей книге под названием «Гельголанд» пытается объяснить безумно сложную теорию квантовой механики, рассматривая мир фотонов, электронов, атомов и молекул, который подчиняется правилам, идущим вразрез с нашей повседневной физической реальностью. Напомним, что квантовая теория возникла из наблюдений Гейзенберга и более ранней теории относительности Эйнштейна. До Эйнштейна ученые верили в предсказуемую, детерминированную Вселенную, управляемую часовым механизмом. Так, ньютоновской идее об абсолютном «истинном времени», неумолимо тикающем во Вселенной, противостояла теория Эйнштейна о том, что единого «сейчас» нет, скорее, существует множество «сейчас». Гейзенберг и его последователи считали, что мы не можем знать современное состояние мира во всех деталях. Все, что нам дозволено – исследовать мир с помощью моделей неопределенности и вероятности.
Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.
Удивительная способность предков каждого из ныне живущих на планете людей к выживанию позволила нам с вами наслаждаться всеми благами и достижениями цивилизации. Но раз уж на то пошло и миллионы лет эволюции позволили нам познать самих себя и окружающий мир, то что за это время нам удалось узнать о Вселенной? На самом деле не так уж много – по меркам той же Вселенной мгновение. И все же, все существующие на сегодняшний день физические теории описывают мир невероятно точно. Так, и классическая физика и квантовая механика по отдельности превосходно работают. Вот только все попытки объединить их в единую теорию по-прежнему не увенчались успехом, а значит наше понимание Вселенной и реальности нельзя назвать полноценным. В начале 1900-х годов рождение квантовой физики ясно показало, что свет состоит из крошечных неделимых единиц, или квантов – энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, проведенный с одиночными фотонами или даже отдельными частицами материи, такими как электроны и нейтроны, представляет собой головоломку, поднимающую фундаментальные вопросы о самой природе реальности. Решить ее ученые не могут до сих пор.
Автором нового исследования, опубликованное в журнале Nature, похоже удалось решить одну из самых важных задач квантовой физики – они продемонстрировали как привести несколько молекул сразу в единое квантовое состояние. Напомню, что когда группа частиц, охлажденных до абсолютного нуля, разделяет единое квантовое состояние и вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом, физики говорят о конденсате Бозе-Эйнштейна. Этого состояния, безусловно, достичь трудно, но когда это происходит, открывается целый мир новых возможностей. Ученые проделывали это с атомами на протяжении десятилетий, но проделай они то же самое с молекулами, сегодня мы, вероятно, обладали бы разными формами квантовых технологий. Но поскольку молекулы больше атомов и имеют гораздо больше движущихся частей, большинство попыток обуздать их не увенчались успехом. Впрочем, так было до конца апреля этого года – в ходе нового исследования команда физиков охладила атомы цезия, а затем ограничила молекулы таким образом, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях. В результате получился набор практически идентичных молекул в едином квантовом состоянии.
Нашу Вселенную формирует нечто, что мы c вами не можем непосредственно наблюдать. Эта таинственная субстанция, называемая темной материей, заполняет 85% Вселенной и ответственна за ее структуру и расположение галактик и звезд. Так как темная материя не взаимодействует со светом, но имеет вес, измерить ее можно только косвенно – темная материя искривляет свет звезд из-за гравитационного эффекта, подобно тому, как стекло преломляет свет. Стоит ли удивляться, что эта таинственная субстанция десятилетиями ставила ученых в тупик. Но наука не стоит на месте и последние исследования в области квантовых технологий могут оказаться жизненно важным звеном в разгадке тайны темной материи. Недавно коллаборация исследователей из США разработала новые устройства, использующие квантовые вычислительные биты, способные обнаруживать слабые сигналы от любой из субатомных частиц. Новый метод, как полагают физики, позволит искать доказательства существования темной материи в 1000 раз быстрее, чем когда-либо.
Если квантовая теория верна, то от таких квантовых частиц как атомы, можно ожидать очень странного поведения. Но несмотря на хаос, коим может показаться квантовая физика, в этом удивительном мире крошечных частиц действуют свои собственные законы. Недавно команде ученых из Университета Бонна удалось доказать, что в квантовом мире – на уровне сложных квантовых операций – действует ограничение скорости. Атомы, будучи маленькими частицами, в некотором смысле напоминают пузырьки шампанского в бокале. Описать их можно как волны материи, однако их поведение больше напоминает бильярдный шар а не жидкость. Каждый, кому в голову придет идея очень быстро переместить атом из одного места в другое, должен действовать со знанием дела и сноровкой как у опытного официанта на банкете – не пролив ни капли шампанского из десятка бокалов на подносе, лавируя между столиками. Но даже в таком случае экспериментатор столкнется с определенным ограничением скорости – лимитом, превысить который невозможно. Полученные в ходе исследования результаты важны для работы квантовых компьютеров, а эта область, как наверняка знает уважаемый читатель, в последние годы активно развивается.
Никто не знает что такое сознание и как оно устроено. Безусловно, у ученых из разных областей науки есть самые разные предположения на этот счет, однако точного ответа на вопрос о том, что представляет собой сознание, никто дать не может. Похожая ситуация наблюдается и с квантовой механикой – изучая взаимодействие мельчайших частиц Вселенной между собой физики многое узнали. Но так как квантовая механика не согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, исследователи не могут понять как привести их к общему знаменателю. По мнению одного из величайших ученых ХХ века, физика Ричарда Фейнмана, по-настоящему квантовую механику не понимает никто. Интересно, что с таким же успехом он мог бы говорить о столь же запутанной проблеме сознания. Несмотря на то, что некоторые ученые полагают, что сознание – всего лишь иллюзия, другие, напротив, считают, что мы вообще не понимаем, откуда оно берется. Так что не удивительно, что извечная загадка сознания побудила некоторых исследователей обратиться к квантовой физике для ее объяснения. Но как одну неразгаданную тайну можно объяснить другой?
Классические модели физики – законы движения Ньютона и Общая теория относительности Эйнштейна предполагают, что такие свойства объекта как положение и движение являются абсолютными. Эти теории являются венцом достижений современной физики, описывающей природу изысканно, но по отдельности. ОТО имеет дело с большими знакомыми объектами и событиями Вселенной, в то время как квантовая механика охватывает невидимый и странный микромир, где две частицы, разделенные тысячами световых лет, могут мгновенно реагировать на движения друг друга. Эти два теоретических мира, определенный классический и неопределенный квантовый, работают чрезвычайно хорошо. Классический для больших массивных объектов, таких как бейсбольные мячи и планеты, и квантовый для малых легких объектов, таких как атомы и молекулы. Однако оба этих подхода рушатся, когда мы пытаемся изучать массивные, но маленькие объекты, например внутреннее устройство черных дыр или наблюдаемую Вселенную вскоре после Большого взрыва. Но почему?
Что такое время и может ли быть так, что все наши представления о нем ошибочны? Если попробовать разобраться, окажется, что человечество воспринимает время достаточно просто – оно движется вперед и не может повернуть назад. Более того, ход времени неумолим и мы никоим образом не можем на него повлиять. Недавно команда исследователей из Центра квантовой динамики Университета Гриффита, Национального института измерений (NMI) и Австралийской организации ядерных наук и технологий (ANSTO) поставила эксперимент, главной целью которого являлась попытка доказать правильность или неправильность современной квантовой теории времени. Новая революционная теория, по мнению ее авторов, может перевернуть все наши представление о времени и пространстве – все потому, что она допускает возможность существования статичной и неизменной Вселенной. Физики предположили, что факт изменения вещей с течением времени не является врожденной особенностью природы, а скорее вызван фундаментальным нарушением симметрии обращения времени, называемым «Т-нарушением». Если ученые окажутся правы, то их работа перевернет все современные представления о времени и пространстве, а также изменит наш взгляд на фундаментальные законы природы.
Все началось еще в конце XIX века, когда ученый из Франции, Анри Пуанкаре, изучал различные части систем, которые могут быть полностью проанализированы. Как обычно, звучит это не так сложно, но именно его труды легли в основу большой задачи и стали одной из загадок, которую ученые современности называют ”Задачами тысячелетия”. Думаю вы легко согласитесь, что если подождать достаточное количество времени, то планеты в небе выстроятся в нужную вам линию. Так же будет и с частицами газа или жидкости, которые могут сколько угодно менять свое положение, но теоретически в один из моментов времени выстроятся относительно друг друга так, как они располагались в момент начала измерений. На словах все просто — рано или поздно это случится, иначе быть не может. Вот только на деле доказать это довольно сложно. Именно над этим и работал Анри Пуанкаре больше века назад. Позже его теории были доказаны, но от этого не стали менее интересными.