Квантовая физика и механика в чем отличие
Разница между квантовой физикой и квантовой механикой
Содержание:
Что такое квантовая физика?
Что такое квантовая механика?
Квантовая механика родилась, когда Макс Планк ввел понятие квантованной энергии (E = nhf) для объяснения теплового излучения абсолютно черного тела. Затем Эйнштейн придумал понятие «фотон», чтобы объяснить частичную природу света. Это привело к теории, известной как «дуальность волна-частица», которая описывает обладание как «волновыми», так и «частицовыми» качествами материи и энергии. Луи де Бройль представил эту концепцию.
Фундаментальные концепции квантовой механики также включают модели Бора для описания атомной структуры по Нильсу Бору, уравнение Шредингера (широко используемое уравнение для расчета квантовых волн) Эрвина Шредингера, принцип неопределенности (который объясняет вероятностную природу материи и энергии) Вернера Гейзенберга и Принцип исключения Паули Вольфганга Паули. Объяснение, известное как копенгагенская интерпретация, и явление, известное как квантовая запутанность, также относятся к квантовой механике.
В чем разница между квантовой физикой и квантовой механикой?
Кроме того, квантовая физика может предсказывать и описывать свойства физической системы, в то время как квантовая механика может описывать свойства молекул, атомов и субатомных частиц, касающиеся взаимодействий между ними и с электромагнитным излучением. Следовательно, в этом разница между квантовой физикой и квантовой механикой с точки зрения их использования.
Классическая и квантовая механика
Вы будете перенаправлены на Автор24
Рисунок 1. Принцип соответствия между классической и квантовой механикой. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данное направление последовательно вытекает из идей Макса Планка, который в 1900 году продолжил изучать задачи излучения черного вещества и работы Альберта Эйнштейна. Таким образом ученый предложил использовать теорию квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта. Ранняя квантовая гипотеза была полностью переосмыслена в середине 1920-х годов.
Классическая физика – это особый раздел науки, который возник еще до квантовой механики и выступает в качестве предельного перехода, справедливого только при глобальных масштабах.
Квантовая механика отличается от классической физики тем, что импульс, энергия и другие показатели, часто ограничиваются только дискретными значениями (квантование), предметы имеют свойства и волн, и частиц (корпускулярно-волновой дуализм), и существуют некие ограничения на установление точности, с которой эти величины определяются.
Переосмысленная теория квантов характеризуется предоставлением новых разработанных математических формализмов, где волновая функция дает информацию об амплитуде вероятности положения физических тел и других характеристик веществ.
Основными областями использования квантовой гипотезы являются: сверхпроводящие магниты, молекулярная химия, светоизлучающие диоды, транзистор, лазер и полупроводниковые устройства и электронная микроскопия.
Готовые работы на аналогичную тему
Связь квантовой механики с классической механикой
Предсказания квантовой механики были давно подтверждены экспериментально с высокой степенью точности. Согласно принципу общего соответствия между классической и квантовой механиками, все предметы подчиняются закономерностям действия квантов, а механика помогает только приблизить объекты к большим системам.
Таким образом, законы классической механики в основном вытекают из теорий квантовой механики как:
Квантовая когерентность считается самым весомым различием между классическим и квантовым учениями, хорошо иллюстрирующим парадокс Эйнштейна–Подольского–Розен.
Данная концепция стала первым выпадом против известной философской трактовки квантовой механики путем прямого обращения к локальному реализму.
Квантовая интерференция подразумевает сложение действующих амплитуд вероятности, в то время как классические «волны» предполагают только сложение интенсивностей. Принципы построения механики квантов обычно не проявляются в макроскопических масштабах, это возможно обнаружить в соответствии со следующими наблюдениями: многие макроскопические свойства классической гипотезы выступают в качестве прямых следствий квантового поведения всех частей, а «экзотическое» поведение материи, постулируемое методами квантовой механикой и гипотезой относительности, становится более понятным при работе с элементарными частицами или при перемещении со скоростями, которые возможно приравнять к скорости света.
Отличие квантовой механики от классической
Квантовая и классическая механика сильно отличаются тем, что применяют кардинально разные кинематические описания. По мнению исследователей, для исследования квантово-механических процессов требуется проведение экспериментов, с полным и детальным описанием всех устройств концепции.
Правильная подача информации представляются в макроскопических понятиях, выраженных на простом языке, дополненных определениями классической механики. Изначальные условия и итоговое состояние системы описывается общим положением в конфигурационной среде. Квантовая механика не может самостоятельно точно описать действие физических процессов, как со стороны импульса, точного детерминированного предсказания конечного условия, так и с точки зрения положения материальных веществ.
Очевидно по самому термину, что явление невозможно определить, если известно только одно положение. Учитывая все обстоятельства и факторы, предсказание конечного состояния возможно, но только, если волновая функция полностью описывает систему в вероятностном смысле.
Во многих научных исследованиях можно принимать сразу два состояния системы за одну частицу. При проведении некоторых экспериментов удалось установить, что существует несколько пространственно-потенциальных траекторий, по которым материальное тело может менять свою изначальную позицию. Ключевой особенностью квантового описания является то, что оно не дает возможности однозначно определить, какой из этих путей использовать при переходе между заданными состояниями.
В каждом конкретном случае, для которого требуется кинематическая трактовка, всегда есть весомая причина такого ограничения квантовой точности, ведь для экспериментального нахождения мельчайшего элемента в определенном положении этот показатель должен быть неподвижным; для теоретического определения частицы с конкретным импульсом параметр стабильности находится в свободном движении; эти два требования абсолютно несовместимы. С самого начала своего возникновения классическая кинематика не требовала экспериментального подтверждения ее явлений.
Это позволяет ученым более точно описать мгновенное состояние концепции положением вещества в фазовом пространстве. Такое описание просто подразумевает положение элементов как физическую особенность, не переживая по поводу ее измеримости. Трактовка данного явления вместе с закономерностями движения Ньютона позволяет точно сделать причинно-следственное и детерминированное предсказание конечного состояния вместе с определенной позицией эволюции системы. Для этого часто применяется гамильтоновская динамика.
Классическая механика также помогает описать процесс, подобно описанию двух состояний, используемых в квантовой физике. Для явлений, в которых требуется учитывать величину действия порядка нескольких постоянных констант, механика квантов не подходит; здесь необходимо использовать принципы классической механики.
Общая теория относительности
Рисунок 2. Общая теория относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Несмотря на то, что главные постулаты гипотез общей относительности и квантовой механики Эйнштейна в целом подкрепляются повторяющимися и строгими эмпирическими фактами, которые не противоречат друг другу теоретически, однако их крайне трудно интегрировать в одну единую модель.
Гравитацией возможно иногда пренебречь во многих сферах физики элементарных частиц, так что взаимодействие исследуемых теорий не является главным вопросом в научных приложениях. Однако, отсутствие правильной гипотезы квантовой гравитации считается важным вопросом в физической космологии и обнаружении учеными элегантной «Теории происхождения всего живого на Земле». Многие исследователи продолжаются трудиться в надежде открыть идею, лежащую в основе всего.
Такая теория сможет объединить различные модели атомной физики и вывести четыре фундаментальные силы природы:
Следовательно, решение существующих несоответствий между теорией квантовой механики и классической механикой является одной из основных целей для физики 21 века, хотя эти научные течения имеют общую теорию относительности.
Разница между Классической механикой и Квантовой механикой
Ключевое различие между Классической механикой и Квантовой механикой заключается в том, что Классическая механика описывает природу макроскопического уровня, тогда как квантовая механика описывает природу микроскопического уровня.
Классическая механика и квантовая механика являются очень важными разделами в физике, поскольку они используются для описания поведения любых объектов. Р азница между классической механикой и квантовой механикой, заключается в предсказуемости событий, а также в самих рассматриваемых предметах, то есть классическая механика применяется для макроскопических объектов, тогда как квантовая механика описывает поведение микроскопических частиц.
Содержание
Что такое классическая механика?
Классическая механика — это теория, описывающая движение макроскопического объекта. Тип макроскопического объекта может варьироваться от снарядов до астрономических объектов, таких как космические корабли. События и движения предсказуемы согласно классической механики. Это означает, что если мы знаем начальное положение объекта, то мы можем предсказать его положение в будущем или определить, каким было его положение в прошлом зная конечное положение. Д ругими словами, мы можем предсказать, как объект будет двигаться и как он перемещался в прошлом.
Анализ движения снаряда
Как правило, классическая механика дает чрезвычайно точные результаты для крупных объектов. Однако эта теория не работает для чрезвычайно массивных объектов и объектов, движущихся со скоростью света.
Что такое Квантовая механика?
Квантовая механика — это теория, которая описывает природу объектов на атомном уровне. Согласно квантовой механики, энергия, импульс и угловой момент являются дискретными значениями, также это называется «квантованием». Здесь объекты рассматриваются с точки зрения волновой природы, а так же как объекты, состоящие из элементарных частиц. Иногда это единственная теория, которая может описать поведение субатомных частиц — электронов и протонов.
Кроме того, эта теория важна для определения того, как атомы связываются друг с другом посредством ковалентной связи. О бласти, в которых применяется квантовая механика, включают электронику, криптографию, квантовые вычисления и другие.
В чем разница между Классической механикой и Квантовой механикой?
Классическая механика — это теория, которая описывает движение макроскопического объекта, в то время как квантовая механика — это теория, которая описывает природу объектов на атомном уровне. Следовательно, ключевое различие между классической механикой и квантовой механикой заключается в том, что классическая механика описывает природу макроскопического уровня, тогда как квантовая механика описывает природу микроскопического уровня. Кроме того, классическая механика не описывает корпускулярно-волновой дуализм, а квантовая механика его описывает.
Еще одно различие между классической и квантовой механикой состоит в том, что будущие события предсказуемы, если мы используем классическую механику, но, согласно квантовой механике, события непредсказуемы.
Заключение — Классическая механика против Квантовой механики
Классическая механика и квантовая механика являются важными теориями в физике. Ключевое различие между классической механикой и квантовой механикой заключается в том, что классическая механика описывает природу макроскопического уровня, тогда как квантовая механика описывает природу микроскопического уровня.
Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания
Изучая многочисленные концепции сознания, вы рано или поздно наткнетесь на теорию выдающегося физика из Оксфордского университета Роджера Пенроуза, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу. Об основных положениях этой смелой (или безумной?) гипотезы на сайте журнала Nautilus рассказывает научный журналист Стив Полсон.
Никто точно не знает, как относиться к этой теории, разработанной Пенроузом совместно с анестезиологом Стюартом Хамероффом, но большинство специалистов рассуждают примерно так: теория почти наверняка ошибочна, но поскольку Пенроуз — гений («Один из очень немногих людей, которых я без оговорок могу назвать гениальными», — сказал физик Ли Смолин), с выводами лучше не спешить.
Пенроуз несколько десятилетий назад прославился тем, что:
Круг интересов Пенроуза невероятно широк. В этом можно убедиться, прочитав его книгу «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной». Это объемный, 500-страничный труд, в котором Пенроуз критикует некоторые из самых популярных теорий в физике — от дополнительных измерений в теории струн до инфляции Вселенной на ранней стадии Большого взрыва.
Пенроуз в целом не возражает против репутации «диссидента», но не согласен с такой оценкой своей работы в области физики. Его критики придерживаются иного мнения и не понимают, почему он продолжает заниматься теорией, не подкрепленной достаточными доказательствами.
Квантовая механика и мозг — какая связь?
Большинство ученых считают, что квантовая механика не имеет никакого отношения к тому, как работает наш мозг. Именно поэтому теория Пенроуза привлекла всеобщее внимание.
Эксперты в области ИИ уже несколько десятилетий говорят о компьютерном мозге, но, несмотря на прогресс в нейробиологии, мы так и не продвинулись в решении психофизиологической проблемы. Даже если бы нам удалось составить детальную карту нейронов, синапсов и нейромедиаторов в человеческом мозге — что было бы одним из величайших достижений в истории науки, — мы вряд ли смогли бы понять, каким образом в этом полуторакилограммовом органе возникают мысли и чувства.
Все современные теории сознания кажутся незавершенными. Философ Дэвид Чалмерс считает, что сознание — это свойство природы и оно существует вне известных нам законов физики. Другие — так называемые мистики — утверждают, что наука никогда не сможет объяснить субъективный опыт.
Пенроуз идет дальше. Его теория гласит, что, поскольку сознание лежит за пределами понимания современной нейробиологии и физики, «нам нужно в корне поменять свое представление о физическом мире, чтобы в нем нашлось место сознанию». «Здесь на помощь приходит квантовая механика», — сказал Пенроуз в одном из интервью.
Хамерофф выдвинул гипотезу о том, что квантовая когерентность имеет место в микротрубочках — белковых внутриклеточных структурах, входящих в состав цитоскелета. Микротрубочки представляют собой полые цилиндры и обусловливают форму и движение клетки, а также ее деление. По мнению Хамероффа, микротрубочки с их симметрией и решетчатым строением — это именно тот носитель квантового сознания, в котором нуждается теория Пенроуза.
Кто критикует Пенроуза
Большинство ученых считают, что мозг слишком теплый и влажный, а квантовая когерентность возможна лишь в изолированной холодной среде.
Самый известный критик теории Пенроуза — Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, который подсчитал, что квантовые эффекты внутри микротрубочек могли бы продлиться не более 100 квадриллионных долей секунды.
«Если представить, что мои мысли — результат квантовых процессов, они должны возникать до того, как наступит квантовая декогорентность, то есть я должен думать со скоростью 10 000 000 000 000 мыслей в секунду. Возможно, Роджер Пенроуз способен мыслить так быстро, но не я», — пишет Тегмарк в книге «Наша математическая Вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности» (2014).
Даже бывший коллега Пенроуза Стивен Хокинг скептически относился к его теории: «Мне не по себе, когда физики-теоретики начинают рассуждать о сознании. Кажется, что вся теория Пенроуза основана на том, что раз нам почти ничего не известно ни о сознании, ни о квантовой гравитации, то эти два явления должны быть взаимосвязаны».
Источники вдохновения Пенроуза
В 2016 году Пенроуз выступил на однодневной конференции в Люцерне, посвященной науке о сознании. Среди приглашенных также были нейробиолог Кристоф Кох, буддийский монах Матьё Рикар, автор «Дао физики» Фритьоф Капра и даже эксперт по аяуаске.
Пенроуз установил на сцене два проектора и беспрестанно метался между ними, демонстрируя слайды со своими записями вперемешку с изображениями нейронов и микротрубочек, Пизанской башни, астронавта в открытом космосе и Русалочки — и всё это для того, чтобы объяснить свою теорию сознания.
Был на конференции и Хамерофф, который обычно играет роль верного пса Пенроуза: не только превозносит гений сэра Роджера, но и помогает ему в решении практических вопросов. Иногда Хамерофф становится свирепым бульдогом (в разгар дискуссии он терзал Коха вопросами о функционировании мозга).
«Как наглядно показал Шредингер на примере своего бедного кота, который был жив и мертв одновременно, его собственное уравнение не было истиной в последней инстанции».
Пенроуз пришел к выводу, что в квантовой механике что-то не сходится.
Но какое отношение всё это имеет к сознанию?
«Многие люди просто не в состоянии уследить за ходом моей мысли, — говорит Пенроуз и заводит речь о том, почему компьютеры со всей своей грубой вычислительной мощью, не понимают, что делают. — Я утверждаю, что функционирование мозга описывается не только законами квантовой механики, но и исключениями из них. Мы должны преодолеть квантовую механику и создать совершенно новую науку».
По словам Пенроуза, он сел за написание своей первой книги о сознании «Новый ум короля» (1989), услышав на радио BBC интервью с Марвином Минским, одним из пионеров в области искусственного интеллекта, известного своим утверждением, что человеческий мозг — это «компьютер из мяса». Убежденный, что машине не под силу имитировать мышление человека, Пенроуз посчитал необходимым отреагировать на это заявление.
Минский, который умер четыре года назад, был полной противоположностью Пенроуза.
«Я хорошо понимаю, как работает компьютер, хоть и не очень хорошо представляю себе, как работает транзистор», — сказал он однажды.
Почему сознание — это проблема?
Минский считал сознание «словом-чемоданом», которому недостает точности, необходимой научному термину.
«Слово „сознание“ необходимо заменить словами „мышление“, „принятие решений“ и другими, — говорил он. — Вместо того, чтобы рассуждать о тайне сознания, давайте лучше изучим 20 или 30 основных умственных процессов. Когда это будет сделано, кто-то скажет: „Сознание? Это чушь, в которую верили в ХХ веке“».
Но изучение сознания пошло не по тому сценарию, который предсказывал Минский. Теперь это любимый предмет исследования нейробиологов и постоянная тема для обсуждения на конференциях во всём мире.
Хамерофф — один из тех, кто создал ажиотаж вокруг этой темы. Они с Дэвидом Чалмерсом на протяжении многих лет проводили конференцию «На пути к науке о сознании», на которой выступали гости самых разных мастей — от настоящих ученых до гуру нью-эйджа вроде Дипака Чопры и экспертов по осознанным сновидениям вроде Стивена Лабержа.
Хамерофф и Пенроуз знают друг друга уже не одно десятилетие. Поводом для их знакомства послужила книга «Новый ум короля», после прочтения которой Хамерофф связался с Пенроузом и сообщил, что, он, возможно, нашел ключ к разгадке сознания.
«Стюарт написал мне письмо, в котором рассказал о микротрубочках», — вспоминает Пенроуз. Когда они встретились в Оксфорде, Пенроуз понял, что микротрубочки — наиболее подходящая среда для обеспечения квантовой когерентности. Так началось сотрудничество Пенроуза и Хамероффа. А когда в 2013 году японские исследователи объявили о том, что зафиксировали вибрации внутри микротрубочек, двое ученых сразу же ухватились за это открытие и преподнесли его как подтверждение того, что в мозге могут протекать квантовые процессы.
Тонкая грань между наукой и философией
Пенроуз и Хамерофф — странная пара. Хамерофф открыто заявляет о своей вере в бессмертие души. Пенроуз — атеист, возмущенный тем, что нью-эйджисты используют теории квантовой нелокальности и запутанности для подтверждения своих абсурдных верований.
На вопрос о том, что он думает об идеях Хамероффа о бестелесном сознании, Пенроуз отвечает:
«Он свободный человек. Хотя меня его взгляды немного беспокоят. Он идет намного дальше, чем я готов пойти».
Однако и в идеях самого Пенроуза не всегда можно провести грань между научным и философским измерением.
«Протосознание возникает каждый раз, когда во Вселенной принимается решение, — говорит он. — Взять, к примеру, пылинку, которая находится в состоянии суперпозиции одновременно в двух местах. Всего через долю секунды суперпозиция разрушится, и пылинка окажется только в одном из двух мест. Кто выбирает в каком? Вселенная? Или пылинка? Быть может, существует свобода выбора».
Предлагает ли теория Пенроуза решение философской проблемы свободы воли и детерминизма? Многие нейробиологи считают, что наши решения продиктованы происходящими в нейронах процессами, которые не управляются сознанием. Иначе говоря, свободы воли не существует. Но, согласно квантовой теории, причинных связей в мозге не существует. Высказывается ли Пенроуз в пользу свободы воли?
«Не совсем, хоть всё выглядит именно так, — отвечает он. — Наши решения кажутся произвольными. Но произвольна ли свобода воли?»
Пенроуз часто делает провокационные заявления, а потом меняет свое мнение. Его идеи о свободе воли — не исключение.
«Поначалу я верил в детерминированную Вселенную. Позже я осознал, что она, возможно, и детерминирована, но не вычислима. Если Вселенная связана с сознанием, то тотальный детерминизм от полной свободы воли должна отделять очень тонкая грань».
Как бы скептически мы ни относились к идеям Пенроуза, невольно хочется, чтобы он оказался на верном пути. Наука о сознании зашла в тупик, а теория Пенроуза — какой бы спекулятивной она ни была — предлагает выход из него.
В то же время нелегко поверить в существование квантовой когерентности в микротрубочках и согласиться с утверждением, что сознание можно объяснить лишь с помощью еще не открытых законов физики.
Есть и еще одна проблема. Предположим, что через 20 или 200 лет общие положения теории Пенроуза — Хамероффа подтвердятся. Будет ли это означать, что загадка сознания разгадана? Или что психофизиологическая проблема превратилась в квантовую психофизиологическую проблему, то есть еще большую загадку? Удастся ли нам когда-нибудь найти связь между физическим и психическим мирами?
На вопрос о том, имеет ли Вселенная смысл, Пенроуз дает неожиданный ответ:
«Сознание — это причина существования Вселенной».
Значит ли это, что он верит в существование разумной жизни где-то еще во Вселенной?
Но если Вселенная возникла из сознания, почему нам до сих пор не удалось найти следов разумной жизни за пределами Земли?
«Мне кажется, в нашей Вселенной неоптимальные условия для существования сознания, — отвечает Пенроуз. — Нетрудно представить себе Вселенную, в которой сознание было бы повсюду. Почему мы не живем в такой Вселенной?»
Поглотит ли квантовая механика реальность?
Соревнование между гравитацией и квантовой физикой принимает новый оборот
Это была крупнейшая из проблем, это была малейшая из проблем.
Сегодня у физиков на руках есть два свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, отлично описывающая гравитацию и всё, над чем она властвует: движущиеся по орбите планеты, сталкивающиеся галактики, динамика расширяющейся Вселенной. Это крупный масштаб. И есть квантовая механика, работающая с тремя другими взаимодействиями – электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно справляется с объяснением происходящего при распаде атома урана или при столкновении отдельных частиц света и фотоэлемента. Это малый масштаб.
А теперь проблема: относительность и квантовая механика – фундаментально различные теории, формулирующиеся по-разному. И это не вопрос научной терминологии, это столкновение по-настоящему несовместимых описаний реальности.
Конфликт между двумя половинами физики зрел более ста лет – начался он с пары работ Эйнштейна от 1905 года, одна из которых описывала относительность, а другая вводила понятие кванта – но недавно он вошёл в очень интересную и непредсказуемую фазу. Два выдающихся физика обозначили экстремальные позиции, каждый в своём лагере, и проводят эксперименты, которые смогут раз и навсегда определить преимущество одного из подходов.
Различие между относительностью и квантовыми системами можно представлять себе, как различие между «гладким» и «зернистым». В ОТО события непрерывны и детерминистичны, то есть каждое действие вызывает определённый локальный эффект. В квантовой механике события, происходящие из-за взаимодействий субатомных частиц, происходят прыжками (ага, квантовыми скачками), с вероятностными, а не детерминистскими, результатами. Квантовые правила позволяют устанавливать связи, запрещённые классической физикой. Это недавно было показано в часто обсуждаемом эксперименте, в котором нидерландские исследователи бросили вызов эффекту локальности. Они показали, что две частицы – в их случае, электроны – могут мгновенно влиять друг на друга, хотя они были разнесены на полтора километра. Если попытаться интерпретировать гладкие релятивистские законы в зернистом квантовом стиле, или наоборот, всё летит в тартарары.
ТО выдаёт бессмысленные ответы, если попытаться уменьшить масштаб до квантовых размеров, и опускается до бесконечных значений при описании гравитации. И наоборот, квантовая механика сталкивается с серьёзными трудностями, будучи раздутой до космических масштабов. Квантовые поля переносят определённое количество энергии, даже во вроде бы пустом пространстве, и чем больше поля, тем больше становится энергия. Согласно Эйнштейну энергия эквивалентна массе (E = mc 2 ), так что накапливать энергию – это всё равно, что накапливать массу. Если накопить её достаточно много, то количество энергии в квантовом поле создаёт чёрную дыру, из-за которой схлопывается вся Вселенная. Ой.
Крэйг Хоган, астрофизик-теоретик в Чикагском университете и директор Центра астрофизики частиц в Фермилаб, заново осмысливает квантовый аспект физики при помощи новой теории, в которой квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать. Ли Смолин, основатель Института теоретической физики Периметр в университете Ватерлоо, пытается заставить физику вернуться к философским эйнштейновским корням, а затем протянуть эти корни в интересном направлении.
Чтобы понять, что стоит на кону, взглянем на предыдущие теории. Когда Эйнштейн открыл миру ОТО, она не только заместила теорию гравитации Исаака Ньютона, но и открыла новый способ рассмотрения физики, приведший к современным концепциям Большого взрыва и чёрных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для того, чтобы в вашем телефоне работала GPS. Так же и квантовая механика не просто переформулировала уравнения Максвелла, описывавшие электричество, магнетизм и свет. Она обеспечила инструменты, необходимые для создания Большого адронного коллайдера, фотоэлементов и всей современной микроэлектроники.
По итогам этих споров произойдёт, ни много, ни мало – третья революция в современной физике, что приведёт к ошеломляющим последствиям. Мы можем узнать, откуда взялись законы природы, и построен ли космос на основе неопределённости, или же в его основе лежит детерминизм, когда с каждым событием связана определённая причина.
Крэйг Хоган
Зернистый космос
Хоган, лидер квантового взгляда на мир, предпочитает вместо того, чтобы блуждать в темноте, действовать согласно анекдоту, и заниматься поисками там, где светлее – где ярче свет, и где выше вероятность увидеть что-то интересное. Это основной принцип в его текущих исследованиях. По его словам, столкновение между реальностью и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь понять, что делает гравитация на чрезвычайно малых расстояниях – поэтому он решил присмотреться к тому, что там происходит. «Уверен, что возможно провести эксперимент, который позволит увидеть, что происходит, как работает этот интерфейс, который нам пока непонятен», – говорит он.
Простейшее предположение в эйнштейновской физике – а следы его происхождения ведут ещё к Аристотелю – состоит в том, что пространство – непрерывное и бесконечно делимое, и любое расстояние можно разделить на ещё меньшие расстояния. Но Хоган поднимает вопрос об истинности такого подхода. Так же, как у вашего экрана есть самая маленькая единица – пиксель, а у света самая маленькая единица – фотон, так и у расстояния, по его словам, должна быть неделимая мельчайшая единица – квант пространства.
По версии Хогана будет бессмысленным спрашивать, как ведёт себя гравитация на расстояниях, меньших единицы пространства. На таких масштабах гравитация работать не сможет, поскольку таких масштабов не существует. Иначе говоря, ОТО обязана будет помириться с квантовой физикой, поскольку пространство, в котором измеряются эффекты относительности, будет разделено на неделимые кванты. Театр реальности, где играет гравитация, будет выступать на квантовой сцене.
Хоган признаёт, что эта концепция звучит довольно странно, даже для тех из его коллег, кто ратует за квантовую интерпретацию. С конца 1960-х группа физиков и математиков разрабатывали платформу под названием «теория струн», чтобы помирить ОТО с квантовой механикой. С годами она превратилась в основную теорию, хотя и не смогла выполнить ранние обещания. Как и решение с зернистым пространством, теория струн предполагает наличие у пространства фундаментальной структуры, но затем две теории расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн. Как и зернистое пространство, теория струн избегает гравитационной катастрофы, вводя конечную минимальную единицу пространства, хотя размер у этих струн гораздо меньше, чем у пространственных структур, разыскиваемых Хоганом.
Зернистое пространство не состыковывается с идеями теории струн, или с любой другой предлагаемой физической моделью. «Это новая идея, её нет в учебниках, она не следует из любой стандартной теории», – беззаботно говорит Хоган. «Но ведь и нет никакой стандартной теории, не так ли?»
Если он окажется прав, то многие формулировки теории струн окажутся не у дел, и его теория вдохновит свежий подход к переписыванию ОТО в квантовых терминах. Появятся новые способы понимания внутренней природы пространства и времени. И, что удивительнее всего, теория поддержит модную идею о том, что наша трёхмерная реальность состоит из более простых двумерных единиц. Хоган серьёзно относится к метафоре «пикселей» – так же, как картинка в телевизоре может создать иллюзию глубины из плоских пикселей, так и пространство, по его словам, может возникнуть из набора элементов, ведущих себя так, будто они находятся в двумерном пространстве.
Как и многие идеи, находящиеся на дальних границах современной теоретической физики, рассуждения Хогана могут звучать, как вечерние философские беседы первокурсников. Отличаются они тем, что физик планирует проверить их в эксперименте. Прямо сейчас.
С 2007 года Хоган размышлял о том, как построить устройство, способное измерить чрезвычайно мелкую зернистость пространства. У его коллег оказалось множество идей на этот счёт, основанных на технологии, разработанной для поиска гравитационных волн. За два года Хоган разработал предложение и работал с коллегами из Фермилаб, Чикагского университета и других институтов над постройкой машины для поиска зернистости, которую он называет «голометром». Это эзотерический каламбур, делающий отсылку одновременно к измерительному прибору XVII века и к теории, по которой двумерное пространство может казаться трёхмерным, что напоминает хранение изображения в голограмме.
Под наслоениями концептуальной сложности в голометре находится такое технологически несложное устройство, как лазер, полупрозрачное зеркало, разветвляющее луч лазера на два перпендикулярных, и ещё два зеркала, отражающих лучи обратно в 40-метровом тоннеле. Лучи откалиброваны так, чтобы регистрировать точное местоположение зеркал. Если пространство зернистое, то положение зеркал будет постоянно меняться (точнее, меняться будет само пространство), что будет создавать постоянные и случайные изменения расстояния между ними. После воссоединения лучей они окажутся слегка рассинхронизированными, и величина несоответствия покажет масштаб зернистости пространства.
Хоган столкнулся с критикой яростных скептиков, многие из которых принадлежат к сообществу физиков-теоретиков. Тему споров легко понять: успех голометра будет означать провал большого объёма работ по теории струн. Но, несмотря на эти споры, Хоган и большинство его коллег убеждены в том, что ОТО в результате придётся подчиниться квантовой механике. Остальные три закона физики [видимо, имеются в виду фундаментальные взаимодействия – прим. перев.] подчиняются квантовым правилам, поэтому есть смысл в том, чтобы так вела себя и гравитация.
У большинства современных теоретиков вера в преимущество квантовой механики простирается ещё дальше. На философском и эпистемологическом уровне они считают, что крупномасштабная реальность классической физики – это некая иллюзия, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, работающего на малых масштабах. И зернистое пространство согласуется с таким взглядом на мир.
Хоган сравнивает свой проект со знаковым экспериментом XIX века Майкельсона-Морли, искавших эфир – гипотетическую субстанцию, которая, согласно лидировавшей в то время теории, проводит световые волны в вакууме. Эксперименты ничего не обнаружили – и это озадачивающее отсутствие результата вдохновило Эйнштейна на СТО, из которой выросла ОТО, перевернувшая в итоге вверх тормашками весь мир. Дополняя связь времён, эксперимент Майкельсона-Морли измерял и структуру пространства, используя зеркала и разделённый луч света – что очень напоминает эксперимент Хогана.
«Мы делаем наш голометр с таким же настроением. Увидим ли мы что-либо, или нет – в любом случае результат будет интересным. Эксперимент делается для того, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти что-либо, поддерживающее теорию, – говорит Хоган. – По тому, как ваши коллеги-теоретики относятся к эксперименту, можно судить об их природе. Наши теории располагают к математическому стилю мышления. Надеюсь на такие результаты, которые заставят людей вести теоретические изыскания в другом направлении».
Найдёт Хоган квантовую структуру пространства или нет, но он уверен в том, что голометр поможет физикам ближе подойти к задаче большого и малого. Он покажет правильный (или закроет неправильный) путь к пониманию квантовой структуры пространства и того, как это влияет на релятивистские законы гравитации, пронизывающей его.
Только в чёрных дырах квантовая физика сталкивается с ОТО таким образом, который невозможно игнорировать
Чрезвычайно большое представление
Если вы пожелаете посмотреть в совершенно другом направлении, тогда вам нужен Смолин из Института теоретической физики. Если Хоган тщательно перебирает зёрнышки, то Смолина можно назвать абсолютным диссидентом: «Когда я был аспирантом, Ричард Фейнман сказал мне кое-что. Это звучало примерно так: ‘Если все ваши коллеги пытались показать, что нечто истинно, и у них это не получилось – возможно, так вышло потому, что это нечто и в самом деле не является истиной’. Вот и теория струн тянется уже 40-50 лет без видимого прогресса».
Ли Смолин
И это только начало более обширной критики. Смолин считает, что подход к физике с малых масштабов неполон по своей сути. Текущие версии квантовой теории поля хорошо объясняют, как отдельные частицы или малые системы частиц себя ведут, но совершено не принимают во внимание то, что необходимо для построения разумной теории всего космоса. Они не объясняют, почему ТО именно такая, какая есть. Как говорит Смолин, квантовая механика – просто «теория подсистем вселенной».
По его словам, более продуктивным подходом будет рассмотрение вселенной как одной гигантской системы, и построение новой теории, применимой ко всему сразу. И у нас уже есть теория, обеспечивающая платформу для такого подхода: ОТО. В отличие от квантовой платформы, ОТО не содержит возможности наличия внешнего наблюдателя или внешних часов – никакого «вне» просто не существует. Вместо этого реальность описывается через взаимодействие объектов и различных районов пространства. Даже о такой базовой вещи, как инерция объекта (сопротивление вашего автомобиля попыткам начать движение, пока его не заставит это делать двигатель, и его тенденция двигаться после того, как вы сняли ногу с педали газа), можно рассуждать как о связи со всеми остальными частицами вселенной посредством гравитационного поля.
Последнее утверждение настолько странное, что его стоит рассмотреть подробнее. Проведём мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привёл Эйнштейна к этой теории в 1907 году. Допустим, Вселенная будет полностью пустой, за исключением двух космонавтов. Один из них крутится, второй покоится. Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт. И без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.
И разница между двумя космонавтами появляется, только если вы вернёте обратно всю остальную вселенную. Следовательно, в классической интерпретации ОТО инерция существует только потому, что вы можете измерить её по отношению к космическому гравитационному полю. То, что верно в этом мысленном эксперименте, верно и для всех объектов реального мира: поведение каждой его части неразрывно связано со всеми остальными. Если вы когда-нибудь хотели быть частью чего-то большего – тогда эта физика для вас. А по мнению Смолина, это ещё и многообещающий метод получения ответов на вопросы о функционировании природы на всех масштабах.
«ОТО – это не описание подсистем. Это описание всей вселенной как замкнутой системы», – говорит он. Когда физики пытаются избавиться от несоответствия между ТО и квантовой механикой, то для них кажется разумным идти по стопам Эйнштейна и мыслить наиболее крупными категориями.
Смолин прекрасно понимает, что идёт против всеобщей привязанности к мышлению в мелких, квантовых масштабах. «Я не собираюсь мутить воду, просто так получается. Я хочу аккуратно поразмыслить на эти сложные темы, опубликовать мои заключения и подождать, пока уляжется пыль, – добродушно говорит он. – Надеюсь, что люди будут спорить с аргументами, и что в результате можно будет вывести проверяемые предсказания».
На первый взгляд, идеи Смолина неудобны для организации реальных экспериментов. Как он утверждает, кроме того, что все части вселенной связаны друг с другом через пространство, они могут быть связаны и через время. Его рассуждения привели его к гипотезе о том, что законы физики эволюционируют вместе с развитием вселенной. С годами он выработал два подробных предположения по поводу того, как это может происходить. Его теория о космологическом естественном отборе, выработанная им в 1990-х, рассматривает чёрные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Позже он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики под названием «принцип предшествования» – и вот её, судя по всему, уже можно подвергать проверкам.
Принцип предшествования возникает как ответ на вопрос о том, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проводите эксперимент, который уже проводили ранее, вы ожидаете, что результат будет такой же, как и в прошлом. Зажгите спичку, и она загорится. Зажгите ещё одну спичку тем же способом – ну, вы поняли. Воспроизводимость – это настолько знакомая нам часть жизни, что мы о ней и не задумываемся. Мы просто приписываем последовательные результаты работе естественного «закона», работающего неизменно. Смолин предполагает, что такие законы могут со временем появляться из-за того, что квантовые системы копируют поведение похожих систем, наблюдавшееся в прошлом.
Один из возможных способов уловить момент появления – провести эксперимент, который раньше никто не проводил, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать. Такой эксперимент может создавать квантовую систему высокой сложности, содержащую много компонент, существующих в новом запутанном состоянии. Если принцип предшествования верен, то начальная реакция системы будет случайной. При повторении эксперимента предшествование будет накапливаться, и реакция системы должна стать предсказуемой – в теории. «Систему, по которой Вселенная выстраивает прецеденты, отличить от случайного шума экспериментальной практики будет сложно, – говорит Смолин, – но возможно».
Хотя прецеденты могут участвовать в происходящем на атомных масштабах, их влияние будет распространяться на весь космос. Это связано с идеей Смолина о том, что редукционистское, мелкомасштабное мышление является неправильным подходом к решению больших задач. Но недостаточно заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя это и важно. Он, как и все мы, хочет знать, почему Вселенная такая, какая есть. Почему время двигается вперёд, а не назад? Как мы оказались в такой вселенной, с такими, а не другими, законами?
Отсутствие осмысленных ответов на эти вопросы говорит о том, что «с нашим пониманием квантовой теории поля что-то не так на глубоком уровне», – говорит Смолин. Как и Хоган, его не так волнует результат любого эксперимента, как общая схема программы поисков фундаментальных истин. Для него это означает наличие возможности рассказать полную, связную историю Вселенной. Это значит иметь возможность не только предсказывать эксперименты, но и объяснять уникальные свойства, приведшие к появлению атомов, планет, радуг и людей. И тут он также вдохновляется Эйнштейном.
«Урок ОТО в том, что побеждает релятивизм», – говорит Смолин. Наиболее вероятный способ получения больших ответов – рассмотрение Вселенной как единого целого.
И победителем становится…
Если вам нужен судья в этом споре большого и малого, то сложно найти лучшую кандидатуру, чем Шон Кэррол, эксперт в космологии, теории поля и гравитационной физике в Калтехе. Он разбирается в относительности, квантовой механике, и обладает чувством абсурдного: он назвал свой блог «Абсурдная Вселенная».
И прямо сразу Кэррол почти полностью встаёт на сторону квантовой механики. «Большинство из нас верят, что квантовая механика более фундаментальна, чем ОТО», – говорит он. Такая точка зрения преобладала с 1920-х, когда Эйнштейн пытался и никак не мог найти изъяны в контринтуитивных предсказаниях квантовой теории. Недавний нидерландский эксперимент, продемонстрировав мгновенную квантовую связь между двумя сильно разделёнными частицами – то, что Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием» – лишь подчёркивает силу доказательств.
Если смотреть шире, то настоящая проблема не в ОТО против квантовой теории поля, как говорит Кэррол, а классическая динамика против квантовой динамики. Относительность, несмотря на свою странность, классическая в том смысле, как она относится к причине и следствию; квантовая механика однозначно нет. Эйнштейн был уверен, что некие глубинные открытия раскроют классическую, детерминистскую реальность, прячущуюся под квантовой механикой, но пока такого порядка обнаружено не было. Продемонстрированная реальность с пугающим дальнодействием говорит о том, что такого порядка не существует.
«Люди явно недооценивают, насколько сильно квантовая механика опровергает наши понятия о пространстве и локальности (идею о том, что физическое явление может влиять только на своё непосредственное окружение). Таких вещей в квантовой механике просто нет», – говорит Кэррол. Из явлений малого масштаба могут вытекать крупномасштабные последствия, такие, как рассуждения Хогана по поводу трёхмерной реальности, возникающий из двумерных единиц пространства.
Но несмотря на кажущуюся поддержку, Кэррол считает, что у голометра Хогана шансов маловато, хотя и признаёт, что это не совсем его область исследований. С другой стороны, он не считает чем-то особенным попытки Смолина начать с космоса как с фундаментальной вещи. Он считает, что это настолько же абсурдно, как пытаться доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы. Что касается вопроса, какая из квантовых систем может поднять физику на следующий уровень, Кэррол оптимистично голосует за теорию струн, которая, по его словам, «кажется естественным продолжением квантовой теории поля». В любом случае он стоит за общепринятое в современной физике мышление, основанное на квантах.
И всё же мнение Кэррола, почти полностью склоняющееся к квантам, не полностью поддерживает мелкомасштабное мышление. В объяснениях квантовой теории всё ещё зияют огромные бреши. «Наша невозможность выбрать правильную версию квантовой механики – это позор, – говорит он. – И наш текущий способ представления квантовой механики – это полный провал, если рассуждать с точки зрения космологии всей Вселенной. Мы даже не знаем, что такое время». Хоган и Смолин поддерживают это высказывание, хотя и не соглашаются по поводу того, что с ним делать. Кэррол стоит за перевёрнутые объяснения, в которых время возникает из-за взаимодействий на квантовом уровне, но объявляет себя скептиком по поводу конкурирующего предположения Смолина о том, что время более универсально и фундаментально. Так что в вопросе о времени ещё ничего не решено.
Неважно, к чему придут теории, крупные масштабы никак нельзя игнорировать, поскольку именно в этом мире мы живём и наблюдаем его. По сути, вся вселенная в целом – это ответ, а задача физиков – сделать так, чтобы она появилась из уравнений. Даже если Хоган и прав, его зернистый космос должен в среднем сгладиться до состояния реальности, с которой мы ежедневно сталкиваемся. Даже если он неправ, у нас есть целый космос, со своими свойствами, которые необходимо объяснить – а этого пока что квантовая физика сделать не может.
Расширяя границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике построить такие связи. Они подталкивают её не только к примирению квантовой механики и ОТО, но и к примирению идеи и восприятия. Следующая великая теория физики без сомнения приведёт к прекрасной математике и невообразимым технологиям. Но лучшее, что она сможет сделать – это создать глубинный смысл, приводящий обратно к нам, наблюдателям, определяющим себя как фундаментальную шкалу вселенной.