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.
ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания. Мы знаем, что состоим из атомов, которые вырвались в космическое пространство из недр сверхновых звезд. Эти мельчайшие частицы химических элементов, состоящие из ядра и электронов, навсегда изменили наше представление о Вселенной и нас самих, а также привели к появлению квантовой механики. Эта область физики чрезвычайно точно описывает взаимодействие элементарных частиц между собой. Но когда мы пытаемся описать нашу повседневную жизнь с помощью квантовой теории, начинаются проблемы. Ведь если одна частица может находиться в двух местах одновременно, то можем ли мы, подобно коту Шредингера, находиться в суперпозиции? И если прямо сейчас я сделаю прыжок вправо, сделает ли прыжок влево другая я в параллельном мире?
Стандартным способом понимания квантовой физики является Копенгагенская интерпретация предложенная Нильсом Бором, одним из создателей современной физики. Согласно интерпретации квантовый мир полностью отделен от нашего повсеместного опыта, к тому же, начинается с парадокса. Собеседником Бора был его аспирант физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Вместе они обсуждали как реальные, так и мысленные эксперименты, рассматривая предложения и возражения Эйнштейна, Шредингера, Паули, Пола Дирака и других. Гейзенберг, например, считал, что из квантовой теории должна вытекать единственно верная интерпретация, доказать которую можно в процессе дальнейших исследований. Эйнштейн, однако, не мог смириться с тем, что вытекает из этого предположения – существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы. И действительно, подобные предположения нелегко согласовать с нашим восприятием Вселенной.
Как появилась Вселенная? Мы знаем, что Большой взрыв состоялся около 14 млрд лет назад, сделав возможным наше существование. Мир удивителен и вряд ли нам когда-нибудь удастся раздать все его тайны. Но мы попробуем это сделать и учтем даже самые безумные предположения. Например о многомировой интерпретации, согласно которой наша Вселенная не единственная в своем роде, а лишь песчинка в бескрайнем море Мультивселенных. Это предположение естественным образом следует из квантовой механики, но никаких доказательства существования Мультиверса на сегодняшний день нет. Как нет и возможности путешествий во времени (что, кстати, удается квантовым частицам), в противном случае мы об этом знали. Некоторые ученые, например, профессор Ави Леб из Гарвардского университета и вовсе не исключает, что наш мир создан в лаборатории. Но если это действительно так, то кому понадобилась подобная «игрушка»?
В 2017 году исследователи из Кембриджского университета, кажется, добились невозможного — они открыли способ наблюдать квантовые частицы, не наблюдая при этом за ними напрямую! Одна из фундаментальных идей квантовой теории гласит, что квантовые объекты способны существовать в двух состояниях одновременно: и волны и частицы. При этом ни одна частица не может существовать без другой пока обе не будут измерены наблюдателем. Работа британских исследователей представляет квантовые частицы в совершенно новом свете, потенциально помогая другим ученым понять их движение и поведение. Интересно, что открытие служит предпосылкой для знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шредингера: если поместить в коробку колбу с радиоактивным веществом и специальным механизмом, ее открывающим, а следом взять кошку и закрыть ее в этой коробке, кошка окажется в суперпозиции – совокупности всех состояний, в которых может одновременно находиться кошка. В некотором смысле исследователи смогли изучить «запретную область» квантовой механики, отслеживая движения квантовых частиц, не наблюдая за ними напрямую.
Каждый из нас хочет знать кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но именно последние обладают наибольшими знаниями о Вселенной. До начала ХХ века, однако, никто и предположить не мог, что элементарных частиц окажется так много, что из них можно составить целый «зоопарк». Лишь в 1925 году на смену старой квантовой теории пришла квантовая механика, которая основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, а ее положения значительно отличаются от положений механики классической. Всего за несколько десятилетий было обнаружено множество элементарных частиц, а их взаимодействие друг с другом легло в основу Стандартной модели. Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) и последующее обнаружение «частицы Бога» – по-научному Бозон Хиггса – стало лишь началом в понимании нашего сложного мира. Каждый год ученые открывают новые частицы, параллельно пытаясь ответить на вопрос о том, почему мы существуем.
Кто из нас в детстве не мечтал о шапке-невидимке? Или о волшебном плаще, надев который, вас не увидит ни одно живое существо на свете. Да, истории эти, кажется, стары как мир и абсолютно точно являются выдумкой. Но не спешите прощаться с шапкой-невидимкой: результаты нового исследования показали, что невидимость – никакая не выдумка и даже не научная фантастика. Скажем больше – еще в апреле исследователи разработали уникальную световую волну, которая при прохождении через объект делает объект невидимым для камер и даже человеческого глаза! Чтобы найти волшебную световую волну, команда направила свет на непрозрачный слой случайно расположенных наночастиц оксида цинка. Они рассчитали, как рассеивается свет порошком оксида цинка и как он рассеивался бы, если бы порошка там вообще не было. «Каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неупорядоченную среду», – пояснил профессор Стефан Роттер из Института теоретической физики в официальном заявлении.
До начала ХХ столетия считалось, что время – есть величина абсолютная. Но после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), стало понятно, что время – понятие более субъективное и имеет отношение к наблюдателю, который его измеряет. И все же, многие продолжали трактовать время так, словно это прямая железнодорожная линия, двигаться по которой можно только вперед или назад. Но что, если эта железнодорожная линия ветвится или вовсе имеет окружные пути, двигаясь по которым поезд возвращается на станцию, которую уже проезжал? Иными словами, можно ли путешествовать в будущее или прошлое? Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса «Машина времени», научные фантасты придаются фантазиям во всю. Но в реальной жизни представить нечто подобное невозможно. Ведь если бы кто-то в будущем изобрел машину времени, неужто он бы не предупредил нас об угрозе пандемии COVID-19 или об ужасных последствиях глобального потепления? Но к нам так никто и не прибыл. Быть может, стоит посмотреть на время под другим углом?
Самые распространенные частицы природы, за исключением фотонов (частиц света) – это нейтрино. Они не имеют заряда и исходят от Солнца, а также от сверхновых и других космических событий. Более того, около триллиона нейтрино прямо сейчас проходят через вашу руку! Ученые выделяют несколько типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также надеются на существование четвертого типа – «стерильных нейтрино». Если они действительно существуют, то помогли бы разрешить несколько фундаментальных загадок в физике, например, почему нейтрино имеют массу, в то время как теории предсказывают, что массы у этих частиц быть не должно? Стерильные нейтрино также связывают с таинственный субстанцией, которая заполняет 85% наблюдаемой Вселенной – темной материей, пронизывающей космос. Наличие этих загадочных частиц предсказывали ранее проведенные эксперименты, но вот незадача: теория также предсказывает возможное существование не только «стерильных» нейтрино, но и множества других, дополнительных частиц. Эти нейтрино могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил где-то на задворках Вселенной. Но обо всем по порядку.
В начале этого года ряд экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) показал удивительные результаты – оказалось, что кварки превращаются в другие частицы под воздействием неизвестной силы. Иными словами, полученные данные свидетельствуют о возможном существовании новой фундаментальной силы природы, что ставит под сомнение основные принципы Стандартной модели – наиболее общепринятой физической теории, описывающей все, что мы знаем о материи, составляющей окружающий мир. Но так как ученые – люди осторожные, говорить о «крахе Стандартной модели» или новой силе природы рано – необходимо больше исследований и больше доказательств. И все же, работа физиков из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), которая предрекает скорый конец нашим представлениям о физике, вдохновила ученых из Кембриджского университета, да так, что те доказали наличие постоянной аномалии в мире мельчайших элементарных частиц: неизвестная науке сила природа действительно ожидает своего часа, чтобы объяснить квантовую гравитацию, Большой взрыв, темную материю и в конечном итоге создать Теорию всего.
Наша планета удивительна. Жизнь на ней настолько разнообразна, что существует множество тел и веществ, как естественных (животные и люди, планеты и звезды) так и искусственных (созданных человеком). Эти вещества и тела бывают твердыми и жидкими, например, вода и кристаллы. Последние особенно интересны, так как представляют собой твердые тела, атомы в которых расположены закономерно, образуя так называемую кристаллическую решетку. По сути, естественное состояние кристалла – это форма правильных симметричных многогранников, которая основана на их внутренней структуре. То есть на одном из нескольких определенных и регулярных расположений, составляющих вещество частиц (ионов, атомов и молекул). Согласитесь, действительно интересно. Именно так в 1934 году размышлял Юджин Вигнер, один из основателей теории симметрии в квантовой механике. Он предсказал, что электроны в материалах теоретически могут выстраиваться в правильные кристаллические структуры, благодаря тому, что отталкиваются друг от друга. Таким образом, если энергия кристаллического отталкивания между парой электронов больше, чем энергия их движения, то их расположение приведет к тому, что полная энергия будет наименьшей, а мы получим систему, аналогичную твердому телу.