РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Парадоксы квантовой физики: просто о сложном

«Если спросят, постоянно ли его положение, нужно сказать "нет", если спросят, меняется ли оно со временем, нужно сказать "нет". Если спросят, неподвижен ли он, нужно сказать "нет", если спросят, движется ли он, нужно сказать "нет"». Парадоксы квантовой механики весьма трудны для восприятия, похожи на мистические откровения, и эти слова Роберта Оппенгеймера о поведении электрона вполне могли быть сказаны Лао Цзы за две с половиной тысячи лет до появления современной физики.
Парадоксы квантовой физики: просто о сложном

Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории

Сложно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия об абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», о трехмерном евклидовом пространстве и равномерно текущем времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы не замечаем их. А главное, отказываемся замечать, что принципы квантовой физики применимы лишь в некоторых рутинных ситуациях и для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все относительно», «время и пространство едины», — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.

Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием
Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись со множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Это является одной из проблем квантовой физики в целом. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

С нашим трехмерным умом вряд ли возможно вообразить четырехмерный континуум пространства-времени
С нашим трехмерным умом вряд ли возможно вообразить четырехмерный континуум пространства-времени
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Планетарная теория. Волна или частица

До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Эта теория квантовой физики весьма красивая, но она имеет ряд парадоксов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Атомы

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода — парадоксы квантовой физики -  появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вероятностные электронные облака. Строение ядра и ядерные частицы

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Для электрона мы можем лишь примерно описать, в каких областях он может находиться, и с какой вероятностью
Для электрона мы можем лишь примерно описать, в каких областях он может находиться, и с какой вероятностью
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, есть одна проблема - такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые — третья возникнет из энергии их столкновения
Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые — третья возникнет из энергии их столкновения

Участник вместо наблюдателя

В мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму? 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В современной физике элементарных частиц все больше вопросов вызывает фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником»
В современной физике элементарных частиц все больше вопросов вызывает фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником»
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает... сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником» или «наблюдателем». Отсюда и название явления, о котором мы будем говорить дальше — «Эффект наблюдателя» или «Парадокс наблюдателя» в квантовой физике.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся — парадокс квантовой физики.

Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся
Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Принцип неопределенности. Место или импульс, энергия или время

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность — это, можно сказать, один из принципов квантовой физики. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности квантовой физики. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?

Царь просто Царь
Царь просто Царь 31 Октября 2021, 22:32
"Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!" - всё не так! Взялись объяснять,а на самом деле только наврали. При столкновении могут получаться разные частицы и не обязательно три.
Eduard Magaram
Eduard Magaram 04 Октября 2020, 20:17
Наблюдатель находится в другом масштабе физического пространства. Поэтому он ощущает огромные скорости и траектории частиц как некую единую сущность-они сливаются для него в нечто единое. "Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик". Следует признать, ничто во вселенной не имеет постоянных и точных характеристик! Но взаимодействие этих относительно локальных сгустков энергий,называемых человеком частицами, бесконечно более сложно и,в пределе,не может быть осознано человеком. Вселенная-это энергия-пространство,она едина-все процессы в ней взаимосвязаны. И выделение из вселенной для исследования какого-либо пространства, превращает это пространство в виртуальное, т.к. при этом обрывается бесконечное количество связей этого пространства со всей вселенной. "Опишите точно движение частицы"- никто никогда не сможет описать "точно" движение частицы.Все сформулированные человеком законы действую всегда только в соответствующих постулированных им виртуальных "пространствах" с введенным в них необходимыми параметрами и их свойствами.Нужно осознать бесконечные ограничения человека при поступательном познавании вселенной. Вселенная строго детерминирована ,но она всегда была и будет иррациональна-непознаваема для него.И у человека (на данном этапе развития) нет даже никаких идей,объясняющих энергетические процессы в этом и других физических пространствах микрокосмоса. И то,что "о частице нельзя сказать ничего определенного", еще раз подтверждает иррациональность энергетических процессов вселенной.Человек описывает процессы вселенной, используя термины: относительность, неопределенность, парадоксы,вероятности.. А наступление и существование всех событий,предсказанных любыми законами, поэтому всегда вероятностно.
valery rubakov
valery rubakov 15 Декабря 2019, 17:25
"Предложить картинку генеза и механизма динамики сосуществования  наука пока не может. А в сути это представление  могли бы задавать нам смыслы нашего сознания и этику жизнесосуществования." *** Сам-то понял что сказал? Или как в том фильме "Москва слезам не верит", персонаж за столом сказал: "Переведи!" Не понятно, но здорово!
Юрий Инжин
Юрий Инжин 06 Декабря 2019, 16:49
Все подобные статьи призывают нас признать нелепость нашего восприятия мира, завести нас в состояние полной неуверенности в силу нашего сознания.  << МЫ отказываемся замечать, что применимы они ....(представления) для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.>> Однако - статья именно о том, чтобы представить свойства вселенной через  "классические" представления.        Мы живем в том мире который соприкасается с нами. Наше сознание прекрасно отображает его,  его свойства и закономерности, независимо от того известны ли их механизмы и описаны ли они математически.  Изучали ли мы их механику или нет - свойства действительности фиксируются в сознании как факт, или моделируются метафорами бытийного восприятия.  Иначе мы бы не выжили.       Обратно. Мы видим бессилие глубоких теоретических изысканий  при построении  картины мироустройства в основе сознания.  Начиная с момента понимания происхождения сосуществования.   Взрыв точки в пустоте, в ничто, в непространстве - это как. Цирковой фокус?  Хорошо, красиво. Но почему, по какой математике,  хаос эволюционировал к тому что кто-то может обсуждать этот эффект.  Или. Матрица вибрирующих струн образовала ткань-плоть пространства. Но откуда эта соорганизованность, когерентность этого звучания. По какой формуле создалась архитектоника вселенной...... Предложить картинку генеза и механизма динамики сосуществования  наука пока не может. А в сути это представление  могли бы задавать нам смыслы нашего сознания и этику жизнесосуществования.
valery rubakov
valery rubakov 08 Октября 2020, 11:47
"Можете здесь назвать хотя бы парочку таких параметров?" *** Один, но основной параметр это степень поляризации вакуума.
Влерий Пивоваров
Влерий Пивоваров 18 Января 2020, 04:53
valery rubakov, Ваша цитата: "А возвращение к прежнему состоянию происходит за счет "упругости" Пространства-времени на квантовом уровне, за счет "внутренней" энергии физического вакуума". Мой комментарий: Тогда это не просто "пространство-время", а некая материальная среда, каждая точка которой должна характеризоваться конкретными параметрами. Можете здесь назвать хотя бы парочку таких параметров?
valery rubakov
valery rubakov 06 Декабря 2019, 16:24
"Оно остаётся изогнутым? Или выпрямляется? Но тогда, за счёт каких сил?" *** А что тут мудрствовать-то? Есть в пространстве-времени локальная энергия-импульс, значит есть локальное изменение Геометрии (Гравитация). Нет энергии-импульса, "улетел, исчез..." - нет и изменения геометрии. А возвращение к прежнему состоянию происходит за счет "упругости" Пространства-времени на квантовом уровне, за счет "внутренней" энергии физического вакуума. Не случайно корифеи науки Р.Фейнман и Дж.А.Уилер утверждали: «В вакууме, заключенном в объеме обыкновенной электрической лампочки, энергии такое большое количество, что ее хватило бы, чтобы вскипятить все океаны на Земле». А вообще-то, есть интересные работы авторитетных ученых на этот счет. Я.Б. Зельдович "Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии" https://ufn.ru/ru/articles/1981/3/c/
Влерий Пивоваров
Влерий Пивоваров 06 Декабря 2019, 03:28
Ох, как любят у нас писать о «пространстве-времени», наивно считая вслед за нашим «гением», что именно масса, оказавшись в конкретной точке «пространства-времени», изгибает его, а оно, изогнувшись, тут же указывает, как двигаться массе. Однажды автора ОТО спросили, что происходит с этим «пространством-временем», когда масса покидает вышеуказанную точку? Оно остаётся изогнутым? Или выпрямляется? Но тогда, за счёт каких сил? Кроме невнятного мычания в ответ на этот простой вопрос любознательные почитатели так ничего и не услышали. Об этом математики и многие физико-математики скромно помалкивают, ибо ответа на этот вопрос до сих пор нет. Может, автор данной статьи даст нам внятный ответ на этот простой вопрос?
Александр Черненко
Александр Черненко 05 Декабря 2019, 02:11
В конусообразном "кульке" под действием силы тяжести находится   электрон  в основном состоянии. Нижний конец кулька отрезают ножницами. Найти время, за которое электрон вывалится вниз.
Цезарус
Цезарус 04 Декабря 2019, 21:55
Физика развиватся на столько, на сколько позволяет математика.
DB Architect
DB Architect 04 Декабря 2019, 03:10
13,5 лет прошло после публикации — ничего не поменялось и яснее не стало... Физика в глубочайшей стагнации или на пороге "новой физики".
Загрузка статьи...