Странные законы физики: различия «большой» и «малой» реальности

 Смотрели «Человек-муравей и Оса»? Мне кажется, весьма забавный и динамичный фильм, несмотря на все научные неточности. Тем не менее, что довольно удивительно, из блокбастера можно извлечь парочку «уроков» физики из области квантовой механики...

Наблюдая за окружающим миром, мы интуитивно понимаем, что между действием и результатом существует причинно-следственная связь . Поэтому можем предвидеть развитие дальнейших событий. Например, если кто-то замахивается на меня кулаком (действие), я могу предсказать, что сейчас отхвачу по лицу (исход), и попробовать увернуться.

Точно так же, когда баскетболисты бросают мяч в кольцо, они знают с какой силой и в каком направлении необходимо сделать бросок, чтобы забить. Можно даже смастерить машину, которая постоянно была бы нацелена на кольцо и выстреливала мячом так, что всякий раз тот оказывался в корзине.

Говоря научным языком, знание начальных условий (скорость и направление в момент броска, а также условия окружающей среды) позволяют точно предсказать, где приземлится мяч. Это называется детерминизмом и предполагает, что прошлое определяет будущее.

Физика мелочей

Все это справедливо в отношении вещей, которые мы видим и воспринимаем нашими чувствами. Но что происходит, если смотреть на гораздо меньшие объекты?

Первое, что можно извлечь из Человека-муравья и Осы, заключается в том, что в очень малых масштабах законы реальности меняются. Пока Человек-муравей действует в масштабе, который мы еще видим и воспринимаем (например, в размерах муравья) привычные физические законы еще работают. Даже при таком масштабе можно предугадать (интуитивно), куда попадет нож, который в него бросили с определенной скоростью и направлением, и, таким образом, избежать попадания. Однако, когда Человек-муравей сжимается еще больше, до размеров элементарных частиц, в фильме наглядно демонстрируется, что законы природы значительно меняются.

Кадр из х/ф "Человек-муравей и Оса"

Атомы, строительные кирпичики материи, имеют размер 10^-8 см. Это в миллион раз меньше размера, который можно увидеть невооруженным глазом. Законы, применимые к этим крошечным частицам, сильно отличаются от тех, которые применяются в привычном нам мире. Система правил, описывающая небольшие объекты, называется квантовой механика.

Странные законы физики квантового мира

Даже если мы знаем начальные условия движения конкретного атома, то в отличие от баскетбола, все равно не сможем точно предсказать, где частица окажется в будущем. Можно лишь утверждать, что есть одна вероятность того, что атом будет в точке А, и другая вероятность его нахождения в точке Б.

Это существенное и глубокое различие между квантовой физикой и классической физикой. Квантовая теория описывает, как вычислить вероятность того, что атом попадет в любую заданную точку, но не может определить, каков будет фактический результат.

В случае с моими звездюлями, если бы мы были в квантовом мире, то тут мой оппонент мог бы вообще не замахиваться или даже находиться в другом городе, мило беседуя со мной по телефону.

Но при этом я мог бы с определенной долей вероятности в любой момент времени услышать знакомый голос "Нна, нафиг!" и почувствовать его кулак на своем лице...

Квантовая теория описывает вероятности, но не может определить точный исход события

Ситуация становится еще чуднее - мы не только не знаем наверняка, где будет атом до тех пор, пока это не проверим. Пока мы не сделаем измерения его состояния атом будет находиться во всех возможных местах сразу. Звучит странно, правда? Тем не менее, это подтвердили экспериментами.

Еще одно квантовое явление, которое создателям фильма удалось более или менее точно изобразить - это связь между Человеком-муравьем и Джанет (матерью Осы), которая застряла в квантовом мире. Связь устроена так, что в тот момент, когда с Джанет что-то случалось, это также затрагивало Человека-муравья. Это художественная демонстрация концепции под названием «квантовая запутанность», которая проявилась во многих экспериментах с элементарными частицами, к которым применима квантовая теория.

Квантовая запутанность - это явление, когда два крохотных объекта, например, атомы связаны друг с другом таким образом, что, если мы знаем состояние одного, то сразу же узнаем состояние другого.

Это как кукла вуду: сидит колдун, тыкает в нее иголочкой и знает, что где-то там за горизонтом мучается жертва...

В квантовом мире два объекта могут быть связаны друг с другом так, что знание информации об одном сразу же приведет и другой объект в такое же состояние. Из-за этого измерение одной запутанной частицы может немедленно повлиять на ее двойника. Даже если двойник находится на другом конце Вселенной, это произойдет мгновенно и без передачи межу ними какой-либо информации.

Такое поведение частиц казалось настолько абсурдным, что в знаменитой статье 1935 года Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена авторы утверждали, что квантовая теория должна быть обновлена, чтобы такие явления не допускались! На практике в конечном итоге произошло не обновление теории, а то, как мы понимаем реальность.

Один из самых любопытных вопросов физики, на который учёные до сих пор не знают ответ - когда и как происходит переход между квантовым и привычным миром? Квантовая физика описывает только элементарные частицы, но ведь все большие объекты состоят из атомов и молекул.

Как получается, что объединение частиц в одном месте в достаточном количестве заставляет их вести себя в соответствии с «разумными» причинно-следственными правилами? Как получается, что баскетбольный мяч, состоящий из триллионов атомов, к каждому из которых применима квантовая механика, ведет себя так, как это предписывает классическая физика? Самый вероятный ответ: «большая» реальность - это усредненный результат всех крошечных квантовых явлений.

<hr/>

Опубликовано 13 сентября 2020 Комментариев 0 | Прочтений 292