10 нерешённых проблем современной физики
Ниже мы приведем список нерешенных проблем современной физики.
Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты.
Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.
Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов.
Каким будет конец Вселенной?
Разгадка во многом зависит от тёмной энергии, которая остаётся неизвестным членом уравнения.
Тёмная энергия ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, но ее происхождение — тайна, покрытая мраком. Если тёмная энергия постоянна в течение долгого времени, нас, вероятно, ждёт «большое замораживание»: Вселенная продолжит расширяться всё быстрее, и в конечном счёте галактики настолько удалятся друг от друга, что нынешняя пустота космоса покажется детской забавой.
Если тёмная энергия возрастает, расширение станет настолько быстрым, что увеличится пространство не только между галактиками, но и между звёздами, то есть сами галактики будут разорваны; этот вариант называется «большим разрывом».
Ещё один сценарий состоит в том, что тёмная энергия уменьшится и уже не сможет противодействовать силе тяжести, что заставит Вселенную свернуться («большое сжатие»).
Ну а суть в том, что, как бы ни разворачивались события, мы обречены. До этого ещё, впрочем, миллиарды или даже триллионы лет — достаточно, чтобы разобраться в том, как же всё-таки погибнет Вселенная.
Квантовая гравитация
Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) — опираются на разные наборы принципов.
Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временну́ю эволюцию физических систем (например атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени.
В ОТО внешнего пространства-времени нет — оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.
При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование). Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует.
Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной.
Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.
Бозон Хиггса не имеет абсолютно никакого смысла. Почему же он существует?
Бозон Хиггса объясняет, как все остальные частицы приобретают массу, но в то же время поднимает множество новых вопросов. Например, почему бозон Хиггса взаимодействует со всеми частицами по-разному? Так, t-кварк взаимодействует с ним сильнее, чем электрон, из-за чего масса первого намного выше, чем у второго.
Кроме того, бозон Хиггса — первая элементарная частица с нулевым спином.
«Перед нами совершенно новая область физики элементарных частиц, — говорит учёный Ричард Руис — Мы понятия не имеем, какова её природа».
Излучение Хокинга
Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга?
Излучением Хокинга называют гипотетический процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. Температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение Хокинга от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.
Согласно ОТО, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время. Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть по сути взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.
Почему Вселенная сбалансирована таким образом, что жизнь может существовать?
Если бы Вселенную сотворил не Бог, а слепой случай, нас просто не было бы. В этом высказывании есть доля истины. Действительно, галактики, звёзды, планеты, люди возможны только во Вселенной, которая первое время расширялась со строго определённой скоростью.
За расширение отвечает центробежное давление тёмной энергии, которое противостоит направленной внутрь силе тяготения, определяемой массой Вселенной, основную долю коей составляет нечто невидимое, названное тёмной материей.
Если бы соотношение этих сил было иным (если бы толчок тёмной энергии вскоре после рождения Вселенной оказался чуть более сильным) — пространство расширялось бы слишком быстро, и ни галактики, ни звёзды просто не смогли бы образоваться. Если бы тёмная энергия давила чуть слабее, Вселенная вновь свернулась бы.
Так почему же, спрашивает Эрик Рамберг из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, они настолько хорошо уравновешены, что возникла та Вселенная, в которой мы живём?
«Нам неизвестна фундаментальная причина этого баланса, — подчёркивает специалист. — Нет сомнений, что количество тёмной энергии во Вселенной — наиболее точно настроенный показатель во всей физике».
Размерность пространства-времени
Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество?
На сегодняшний день множество ученых физиков-теоретиков по всему миру исследуют вопрос многомерности пространства. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории.
А что, если и в самом деле мы воспринимаем всего 3 из 11 существующих измерений (M-теория)? В таком случае мы просто обречены на поедание крошек со стола космологии. Однако, всегда есть возможность описать то, что мы не можем воспринять непосредственно, с помощью математики.
Например, четвёртое измерение можно попытаться представить исходя из логики, что три воспринимаемых нами измерения являются относительно четвёртого тем же, что и два измерения плоскости относительно объемного восприятия.
Откуда берутся астрофизические нейтрино?
Теория предсказывает, что чрезвычайно высокоэнергетические нейтрино порождаются столкновениями быстрых заряженных частиц (космических лучей) с частицами света (фотонами) в космическом микроволновом фоновом излучении, которым пронизана вся Вселенная.
Но что приводит этот процесс в движение и как космические лучи ускоряются — неизвестно. Ведущая гипотеза, у которой нет никаких доказательств, состоит в том, что начало космическим лучам даёт вещество, попадающее в голодные сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик.
Возможно, получившиеся в результате нейтрино летят настолько быстро, что у каждой крошки столько же энергии, сколько в бейсбольном мяче, хотя в последнем миллиарды миллиардов атомов. «
Мы ничего не знаем об их природе, — говорит Абигейл Вирегг из Института космологической физики им. Кавли Чикагского университета — Вот когда узнаем, тогда и наведём справки об источниках, которые разгоняют эти частицы до чрезвычайно высоких энергий».
Мультивселенная
Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы?
Различные гипотезы о существовании мультивселенной высказывались специалистами по космологии и астрономии, физиками, философами, фантастами.
Термин «мультивселенная» был создан в 1895 году философом и психологом Уильямом Джеймсом и популяризирован писателем-фантастом Майклом Муркоком. Часто используются также такие термины, как «альтернативные вселенные», «альтернативные реальности», «параллельные вселенные» или «параллельные миры».
Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Данная идея активно используется, например, в теории струн. Предположение о существовании мультивселенной используется также в многомировой интерпретации квантовой механики.
Почему случилось так, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?
Антиматерия — та же материя: она обладает точно такими же свойствами, как вещество, из которого состоят планеты, звёзды, галактики.
Отличие только одно — заряд. Согласно современным представлениям, в новорождённой Вселенной того и другого было поровну. Вскоре после Большого взрыва материя и антиматерия аннигилировали (прореагировали с взаимным уничтожением и возникновением других частиц друг друга).
Спрашивается, как так вышло, что некоторое количество материи всё-таки осталось? Почему именно материя добилась успеха, а антивещество проиграло «перетягивание каната»?
Чтобы объяснить это неравенство, учёные усердно ищут примеры нарушения CP-инвариантности, то есть процессов, при которых частицы предпочитают распадаться с образованием материи, но не антиматерии.
«Прежде всего хотелось бы понять, различаются ли нейтринные осцилляции (превращение нейтрино в антинейтрино) между нейтрино и антинейтрино, — говорит поделившаяся вопросом Алисия Мэрино из Колорадского университета. — Ничего подобного до сих пор не наблюдалось, но мы надеемся на следующее поколение экспериментов».
Теория всего
Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему законы физики таковы, как они есть?
Теория всего — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия.
Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе.
В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов.
Бонус: Шаровая молния
Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?
Шаровая молния — светящийся плавающий в воздухе огненный шар, уникально редкое природное явление.
Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено, также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям.
Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.
Широко распространено мнение, что шаровая молния — явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.
Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением, в том числе:
- сам факт наблюдения хоть какого-то явления;
- факт наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления;
- отдельные подробности явления, приводимые в свидетельстве очевидца.
Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.
По материалам: несколько десятков статей из wikipedia.org, computerra.ru
Если вы хотите получать больше статей, подобно этой, то кликните Recommend ниже.
Источник
Почему квантовую физику так сложно понять? Объясняем в девяти карточках
Квантовая механика — самый сложный для понимания раздел физики. Системы с квантовым поведением не подчиняются привычным для нас законам, их сложно увидеть и «пощупать», они могут обладать противоположными характеристиками и одновременно пребывать в нескольких состояниях — а еще менять их в зависимости от того, наблюдают за ними или нет. Как исследовать такие непредсказуемые явления и зачем вообще изучать квантовую механику, разбираемся вместе с сотрудником Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах, аспирантом физико-технического факультета Валерием Козиным.
Иллюстрация: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS
По пунктам:
Почему квантовую физику так сложно объяснить? В чем базовые отличия физики микро- и макромира?
Один из самых главных постулатов квантовой механики состоит в том, что если система может находиться в состояниях А и Б, то она может находиться и в любых промежуточных состояниях, являющихся комбинациями А и Б. В привычном же нам повседневном опыте мы наблюдаем такую картину мира, в которой каждый объект характеризуется каким-то состоянием — и если он в нем находится, то в другом состоянии он находиться не может.
Как это выглядит на примерах?
Телефон не может одновременно лежать на столе и где-то еще, а самолет не может одновременно двигаться со скоростью 450 км/ч и 800 км/ч. Но экстраполяция этого привычного нам понимания порядка вещей на микромир показала, что на глубинном уровне эти базовые физические правила не работают, ими нельзя объяснить никакие экспериментальные данные. Если в рамках привычной нам парадигмы — классической электродинамики — мы попытаемся описать атомы, то выяснится, что существовать они не могут. Если у вас есть две заряженные частицы, они, конечно, могут вращаться вокруг общего центра масс, по аналогии с тем, как Земля вращается вокруг Солнца. Но проблема в том, что электрон, вращаясь вокруг ядра, очень быстро бы на него упал, излучив всю энергию. Выходом из этой ситуации является отказ от некоторых привычных и очевидных нам представлений.
Если квантовая механика прекрасно описывает систему мироздания в целом, почему тогда мы не наблюдаем эти принципы в повседневной жизни?
Объяснение кроется в понятии «декогеренция». Декогеренция возникает при взаимодействии квантовой системы с окружающей средой — при этом в нее проникает хаос неопределенности состояния окружения, что неконтролируемо изменяет само состояние квантовой системы. В качестве примера можно привести известный всем «эффект наблюдателя» — даже пассивное наблюдение за квантовыми реакциями, может фактически изменить результат измерения. Именно эта концепция объясняет, почему электрон умеет находиться одновременно в различных точках пространства, а человек — нет, т.к. человек непрерывно находится в контакте с окружением.
Насколько сложно заниматься квантовой физикой, учитывая, что в ней все процессы действуют по контринтуитивным и непредсказуемым правилам?
Заниматься квантовой физикой — то же самое, что и классической. Например, электромагнитные волны в зависимости от своей частоты ведут себя настолько по-разному, что не-физику может показаться очень странным, что все это ― стороны одного и того же физического явления, отличающиеся лишь одним параметром — частотой. Радиоволны, с помощью которых мы можем слушать радио, микроволны, с помощью которых мы можем пользоваться сотовой связью или разогреть еду в микроволновке, инфракрасное излучение, рентгеновское и гамма излучения — все это является формами электромагнитного излучения, хотя на первый взгляд все эти явления очень сильно разнятся между собой. Однако, если за этими явлениями наблюдать достаточно долго и плотно с ними работать, в какой-то момент у ученых вырабатывается понимание, как смотреть на весь спектр явлений как на часть единой и стройной картины мироздания.
Чем конкретно занимаются ученые, изучающие квантовую физику?
Как правило, работа физика-теоретика и физика-экспериментатора очень сильно различается. Теоретики могут за всю жизнь не посетить ни одну лабораторию, не видеть ни один эксперимент, и при этом делать потрясающие открытия в области квантовой механики. Например, на заре квантовой механики, в начале 20 века, физики-теоретики придумали огромное количество потрясающих экспериментов, которые нельзя было поставить в то время. Но спустя десятки лет подтвердилось, что все было предсказано правильно. Физики-теоретики прекрасно представляют себе, как устроена экспериментальная установка, как именно на ней работают. Также они очень плотно взаимодействуют с данными, графиками, изображениями, полученными в лабораториях, и строят подходящие теории, чтобы объяснить результаты этих экспериментов.
Насколько применимы результаты таких исследований на практике: можно ли превратить их в технологию, продукт или материал?
Физика не ставит перед собой цели сделать что-то, что человек будет использовать каждый день. Но когда это случается, то происходит очень метко. Например, устройства, которые позволяют нам общаться из разных точек мира, строятся на сложных физических принципах. Поэтому даже та 0,1% открытий, которые доходят до всеобщего применения, настолько преображает нашу жизнь, что мы просто не можем представить, как обходились без этого раньше.
Какие открытия последних 20-30 лет стали самыми главными?
В первую очередь, фундаментальное открытие бозона Хиггса, которое было сделано на Большом адронном коллайдере. Пусть и с оговорками, но оно позволило завершить построение стандартной модели элементарных частиц, которая объясняет свойства нашего мира на самом маленьком масштабе, какой только доступен в настоящее время. Это был последний кирпичик в данной модели, который был предсказан теоретиками задолго до экспериментального открытия. Во-вторых, к главным достижениям можно отнести все разработки в области квантового компьютера, преодоление предела квантового превосходства. И наконец, еще одно значительное открытие — это разработка технологии квантовой связи. Квантовая коммуникация уже вошла в нашу жизнь, она применяется в разных сферах ― например, в банковских и правительственных учреждениях, в том числе и в России.
Какие открытия могут ждать нас в будущем?
На уточнение стандартной модели пришлось потратить 50-70 лет: на строительство очень сложного и дорогого адронного коллайдера ушли годы. Следующий момент уточнения находится уже при столь высоких энергиях, для которых не хватит ускорителя даже размером с целую планету. Поэтому в области экспериментального подтверждения существующих сейчас теорий ученые ждут некоторый застой (сделаем оговорку, что сейчас ведутся поиски суперсимметричных партнеров и аксиона, а также частиц темной материи). С другой стороны, на теоретическом уровне есть еще огромное количество неизведанного. Например, те же теории струн и квантовой петлевой гравитации, как кандидаты на «теорию всего», из-за их математической сложности разработаны достаточно слабо. Поэтому, возможно, скоро появится совершенно новый подход, который окажется гораздо лучше. Также есть надежды на прояснение природы темной материи и темной энергии.
А что насчет квантового компьютера?
Конечно, появление квантового компьютера очень сильно перевернет нашу жизнь. Во-первых, ученым придется переписать многие существующие сейчас алгоритмы шифрования — а значит, все программы, приложения, сайты, способы коммуникаций. Во-вторых, у квантового компьютера, помимо невероятных способностей к дешифрованию, будут и другие полезные применения: например, описание свойств материалов, которые специалисты не могут рассчитывать на обычном компьютере, или поиск лекарств от сложных заболеваний. Возможности квантового компьютера позволят совершить огромный прорыв во всех технических направлениях, а также в области понимания тех вопросов теоретической физики, которые ученые не могут решить сейчас из-за ограничений в вычислительных ресурсах.
Источник
Парадоксы квантовой механики не дают физикам спать
В недалеком 2011 году состоялась конференция «только по приглашениям» под названием «Квантовая физика и природа реальности» (QPNR), тщательный разбор которой есть на Gizmag.com. Многие видные физики, математики и философы от науки, основная деятельность которых — разбор и интерпретация квантовой механики — собрались, чтобы привести мысли науки в порядок. Вы наверняка знаете, что квантовая механика настолько парадоксальна, что порой наводит на мысли о существовании высшего разума. Любопытно то, что светила науки так и не сошлись во мнении относительно природы квантовой физики. Знаете, почему?
Квантовая механика (КМ), включая разделение на квантовую электродинамику и квантовую теорию поля, представляет собой самую удачную научную теорию, когда-либо созданную. Погрешности во время экспериментов едва ли составляют одну миллиардную долю. При всем это суть квантмеха уходит от понимания как песок сквозь пальцы — и это порождает парадоксы, взаимоисключающие параграфы и «жуткие действия». Проще говоря, хотя КМ работает на диво хорошо, как и почему она работает, никто не знает.
Многие физики проводят бессонные ночи, ломая голову над природой квантовой механики, поскольку появление физики квантовой информации сулит нам много благ (квантовую криптографию, квантовые компьютеры и прочие «тайные разработки»), но понимание этой самой природы квантовой механики остается непреодолимым барьером. Квантмех работает вне зависимости от интерпретация, но интуиция оказывается слишком слабой, когда нужно прояснить странные аспекты КМ. За последние тридцать лет ученые буквально поселились в палатках перед барьером, силясь понять и договориться о том, почему и как работает квантовая механика.
Что же прояснилось на конференции QPNR? И хотя мы намеренно опустим математические тонкости, вы обязательно получите ответы на некоторые волнующие вас вопросы. Все ученые на конференции были опрошены, в некоторых случаях можно было голосовать более одного раза, но чтобы не путать вас, мы упростили результаты. Равно как и вопросы.
Введение в квантовую механику
Первым вопросом, с которого мы начнем разбирать опрос QPNR, станет проблема квантового измерения. Это даст нам возможность пролить свет на некоторые основные понятия в КМ.
В квантовой механике волновая функция объекта описывает все измеримые свойства этого объекта. Это полное описание того, что называется квантовым состоянием объекта. Волновая функция описывается знаменитым уравнением Шрёдингера, который, по слухам, написал его во время отдыха с любовницами в ответ на брошенный ему вызов со стороны светил науки. Уравнение описывает поведение волновой функции в ответ на проявления внешней среды.
Математические детали сейчас не важны, за исключением одного: уравнение Шрёдингера линейно. Если вы сложите несколько разных решений в линейное уравнение, их сумма тоже будет решением. Это называется принципом суперпозиции и является не физическим результатом, а скорее свойством основной математической структуры в КМ. Суть в том, что существует класс волновых функций, который называется квантовыми суперпозициями, одновременно описывающие разные квантовые состояния объекта.
Давайте поставим объект в суперпозицию, измерим его и посмотрим, что получится согласно стандарту КМ. Возьмем два одинаковых мяча: красный и синий. Заставим их вращаться с двумя квантами (один квант обозначает половину единицы) углового момента (который мы называем спином). У красного мяча спин будет верхним, у синего — нижним. Квантовое состояние двух мячей до того, как они столкнутся, будет красный-верх + синий-низ. Если вы измерите спин двух мячей, вы обнаружите, что у красного мяча спин всегда +1, а у синего всегда -1, а значит сумма двух будет равна нулю. Это важно, поскольку суммарный спин системы является константой в КМ.
Теперь столкнем мячи. Если их поверхности обладают свойствами, похожими на те, которые нам известны, два мяча могут передать спин один другому. Самыми очевидными результатами будут такие: ничего не изменится (красный-верх + синий-низ, что мы обозначаем как [1 -1]; спин изменится (красный-низ + синий-верх, или [-1 1]; спин обнулится (красный-ноль + синий-ноль, или [0 0]. Поскольку может произойти любое из трех событий, до того, как мы измеряем состояние мячей, они находятся в состоянии запутанной суперпозиции. Их квантовое после столкновения и перед измерением будет [1 -1] + [-1 1] + [0 0].
(Для квантовых скептиков: если мы измерим разнонаправленные спины красного и синего мячей, теорема Белла говорит нам, что корреляция между результатами измерения будет сильнее, чем возможно в классической и вышеописанной системах. Этот теоретический результат наблюдается и экспериментально, доказывая, что спин каждого из шаров после столкновения не имеет определенного значения, пока не измеряется).
Измерим спин красного мяча после столкновения. Если он равен 1, квантовое состояние двух мячей после измерения будет [1 -1] — две другие суперпозиции исчезают, поскольку не согласуются с измерением. То же самое, если результат измерения -1 или 0, соответственно, квантовое состояние будет [-1 1] и [0 0]. Любое возможное состояние, несовместимое с результатом измерения, исчезает, даже если оно существовало в исходной суперпозиции.
Проблема квантового измерения
Что случится, если мы решим полностью довериться квантовой механике? В конце концов, она может описать все измеримые явления. Инструмент, который измеряет спин, является достаточно сложной квантовой системой, а человек, который владеет этим инструментом — еще более сложной квантовой системой. Если у меня может быть три разных результата измерения спина, почему бы мне не войти в суперпозицию измерения каждого из трех возможных результатов?
Насколько нам известно, ни один человек не ощущает себя в состоянии суперпозиции — мы даже не знаем, каково это чувство на вкус и цвет. Результат измерения, как описано выше, согласно нашему опыту, равен одному определенному числу.
Чтобы перевести наблюдения квантовой механики «на язык нашего опыта», стандартная КМ предполагает, что измерительные приборы и наблюдатели классические в своем поведении. Не существует суперпозиции классических измерительных приборов и наблюдателей, поэтому измерение дает нам один определенный ответ, чего мы, собственно, и ожидаем. Такое заключение вполне закономерно, но физики от этого не стали лучше спать и меньше спорить.
Проблема в том, что есть масса причин полагать, что измерительные приборы и наблюдатели не являются на самом деле классическими в своем поведении. Скорее их волновая функция в сочетании с уравнением Шрёдингера дает полное описание возможного поведения объекта.
Неклассическое поведение больших измерительных приборов было доказано в рамках квантовой механики теоремой неразрешимости. Если структура квантовой механики сохраняется для всех систем, в конце процесса измерения наблюдатель, измеряющая аппаратура и измеряемый объект находятся в квантовой суперпозиции всех состояний в соответствии с волновой функцией измеряемого объекта.
Учитывая это, проблему квантового измерения можно озвучить так: почему измерение, которое проводится большими и сложными квантовыми устройствами (включая нас самих), выдает определенный и единичный результат? Если какой-то аспект в КМ сводит процесс измерения к определенному результату, то какой именно этот аспект? Можно ли вывести его в рамках существующей квантовой теории или же ее нужно расширить?
Оригинальные понятия коллапса волновой функции и классического наблюдателя были попыткой ответить на этот вопрос, но теорема неразрешимости показала, что этого недостаточно.
Некоторые ученые предположили, что уравнение Шрёдингера должно быть изменено, чтобы включить некоторые нелинейные члены, которые будут выдавать ясные состояния во время измерения. У этих предположений существует ряд проблем — хотя бы потому, что стандартная квантовая механика работает слишком хорошо, чтобы можно было запросто изменить фундаментальное уравнение, не испортив его хорошие части.
В многомировой интерпретации Эверетта проведение измерений с различными результатами приводит к образованию множества альтернативных вселенных — по одной для каждого возможного результата. Это позволяет решить проблему измерения: наблюдатель распадается вместе с измерительным прибором, поэтому не замечает кратности. Но в таком случае вам придется поверить в то, что вылет фотона из атома рождает новые вселенные…
Декогеренция, которая является следствием взаимодействия квантовой системы с ее окружением, может приводить к тому, что суперпозиционные состояния волновой функции неспособны взаимодействовать друг с другом, в результате чего их вероятности становятся независимыми. Некоторые полагают, что именно в этот момент волновая функция коллапсирует, другие — что это вообще не имеет никакого отношения к проблеме измерения, поскольку все вокруг создает суперпозицию, запутываясь с окружающей средой.
Что показал опрос физиков на QPNR на тему проблемы квантового измерения?
Проблемы нет (уйдет с появлением новых данных) — 20 %
Решение в декогеренции — 11 %
Решение где-то еще — 11 %
Серьезно угрожает квантовой механике — 18 %
Ничего из вышеуказанного — 20 %
С таким же успехом физики могли отвечать наугад.
Кот Шрёдингера и макроскопические суперпозиции
Мысленный эксперимент под названием «Кот Шрёдингера» известен многим. Кота, разумную и сложную квантовую систему, помещают в коробку. В коробке также находится молоток, активируемый радиоактивным излучением, который разобьет стеклянную бутылку с цианидом, как только обнаружит радиацию. Наконец, в коробке есть очень слабый радиоактивный источник, излучающий примерно одну частицу в час. Коробка звуконепроницаема, непрозрачна и наглухо закрыта. Вы сидите снаружи. Что будет с котом через час: будет он жив или мертв?
Суть эксперимента в том, что условия точно описываются квантовой механикой (распадется ли радиоактивный атом?), а сам он представлен классической проблемой (жив кот или мертв?). Мы хотим посмотреть, на каком этапе результат эксперимента перестанет находиться в компетенции КМ и станет обычным классическим «да» или «нет».
Основной аргумент таков: пока коробка не откроется, кот будет находиться в квантовой суперпозиции мертвого и живого кота. С другой стороны, если кот выступает в роли наблюдателя, он как минимум будет знать, что он жив. (Осознание котом того факта, что он умер, зависит от существования загробной жизни — и такое предлагается в квантовой механике). Обсуждение тянется бесконечно, вариантов ответов — масса.
В многомировой интерпретации судьба кота не так печальна. Когда коробка открывается, вселенная расщепляется на две: в одной кошка живет дальше, в другой нет.
Кот Шрёдингера стал отдельным вопросом в квантовой механике по опросу QPNR: «Возможны ли суперпозиции макроскопически различимых состояний (вроде мертвого/живого кота) в принципе, в лаборатории или принципиально невозможны?
В принципе возможны — 55 %
Возможны в лабораторных условиях — 30 %
Невозможны в принципе — 15 %
Этот вопрос очень важен, поскольку его можно проверить экспериментально.
Крупнейшей системой, которая была успешно введена в состояние квантовой суперпозиции, является квантовый микрофон весом в нанограмм (10 триллионов атомов) объемом около 450 кубических микрон. Намного меньше кота, но больше того, что связывают с обычными атомными и субатомными взаимодействиями — то есть тем, что обычно разбирает квантмех. Активное развитие создания квантовой суперпозиции больших объектов, наверное, основная причина того, почему ученые позитивно смотрят на макроскопические суперпозиции. Если идея работает на практике, со временем она найдет все больше и больше сторонников.
Одной из проблем в КМ является физическая реальность квантовых состояний. В опросе QPNR был такой вопрос: квантовое состояние только описывает реальность (эпистемическое) или является реальным, как электрическое поле, то есть его можно измерить (онтическое)?
Эпистемическое — 27 %
Онтическое — 24 %
И то, и другое — 33 %
Сугубо статистическое — 3 %
Другое — 13 %
Случайность в квантовой механике
Другим фундаментальным вопросом в квантовой механике является случайность отдельных квантовых событий, вроде того же распада радиоактивного атома. Квантовая механика предсказывает поведение, которое согласуется со случайным распадом с характерным периодом полураспада для этого распада (извините за тавтологию). Но случаен ли процесс распада, или просто кажется таким? В опросе QPNR было четыре варианта: скрытый детерминизм; только кажется случайным; минимальная случайность и случайность как фундаментальный принцип природы.
Скрытый детерминизм — это точка зрения Эйнштейна (мозг которого изучают и по сей день) — существует скрытый заводной механизм в основе того, что мы воспринимаем как квантовую реальность. Это явление на самом деле классическое и механистическое, но в настоящее время мы не можем его наблюдать.
Вселенная только кажется случайной в многомировых интерпретациях, похожих на эвереттову. Восприятие случайности — это всего лишь побочный эффект обнаружения себя в одной из новых ветвей вселенной.
И самая сложная часть заключается в разнице между минимальной случайностью и случайностью — фундаментальным принципом природы. Последнее вообще ускользает от понимания. Грубо говоря, минимальная случайность описывает Вселенную, в которой существуют явления, которые приводят к непредсказуемым результатам, а понятие фундаментальной случайности описывает вселенную, в самой основе работы которой лежит случайность. В отличие от скрытого детерминизма, фундаментальная случайность распространяется и на подуровни реальности, в случае существования таковых.
Результаты опроса:
Скрытый детерминизм — 0 %
Очевидная случайность — 7 %
Минимальная случайность — 40 %
Фундаментальная случайность — 53 %
Отсутствие поддержки скрытого детерминизма (прости, Эйнштейн), судя по всему, связано с экспериментальным подтверждением теоремы Белла. Согласно этой теореме, в нашей Вселенной не может быть скрытых параметров.
Забавно, что не все сторонники Эверетта согласны с тем, что наблюдаемая случайность является следствием нашего выбора в этой вселенной.
А вот два самых странных понятия набрали максимум. Похоже, это тот самый момент, когда неуверенность и неопределенность набирают силу уверенности и определенности.
Наука или предубеждение?
Чтобы подвести итоговую черту подо всей этой неописуемостью и поставить «жирную точку в интерпретации квантовой механики», спросим физиков, насколько их выбор зависит от личных философских предубеждений?
Честно говоря, такой опрос пахнет тем, что квантовая механика близка к статусу псевдонауки. Насколько точной может быть псевдонаука? Думаю, ответом на вопрос Ричарда Фейнмана «но как она вообще может быть такой?» в отношении квантовой механики будет стихотворение Федора Тютчева «Silentium!».
Источник
Квантовая физика самые сложные вопросы
На самом же деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Подробнее
Как томсон представлял себе атом?
Модель напоминала пудинг, в котором находились изюминки, впоследствии она получила название «пудинговая модель атома». Подробнее
Почему электрон не падает на ядро атома?
Электрон в атоме водорода может находиться только на орбитах, для которых значение момента импульса электрона равно целому числу постоянных Планка. Подробнее
Что такое электрон — волна или частица?
Впервые идею о копускулярно-волновой природе электрона французский физик выдвинул еще в 1923 году. Позднее это оказалось справедливым и для других составляющих атома. Выдвинутая им гипотеза хорошо обосновала казавшийся загадочным принцип стационарных орбит в модели атома Бора. Подробнее
Что означает принцип дополнительности бора?
Если мы возьмем отдельно понятия «состояние» и «наблюдение», то, согласно Бору, они будут дополнительные. Ведь взятые каждый в отдельности они неполны, а значит, могут быть определены только друг через друга. Фактически эти понятия не существуют отдельно. Мы всегда наблюдаем только конкретное состояние объекта! Само же состояние объекта остается вещью в себе, пока мы не найдем способ его «наблюдения». Подробнее
Как возникает квантовое поле?
В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит порциями — квантами. В качестве квантов выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики, а с другой — взаимодействие между ними передается квантовым полем со своими квантованными характеристиками. Подробнее
Что такое бозон хиггса, или «частица бога»?
Бозон Хиггса — это элементарная частица, играющая ключевую роль в понимании механизмов образования и развития нашей Вселенной после так называемого Большого взрыва. Сама частица имеет много почетных прозвищ: «Частица Бога», «Ангел Творения», «Кирпич, который построил Вселенную». Можно сказать, бозон Хиггса улавливает частицы, которые перемещаются вокруг, и превращает их в материю. Подробнее
Элементарен ли протон?
Как можно протон называть элементарной частицей, если он состоит из кварков? Очень просто: протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части — кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии, состоят из кварков и при этом являются элементарными. Подробнее
Как понимать квантовую запутанность?
Если взять частицу из определенного множества частиц и повлиять на нее любым способом, то изменится состояние и остальных частиц, даже если они находятся в совершенно иных условиях. Подробнее
Что такое теория струн?
Согласно гипотезе, Вселенная возникла благодаря расширению микропространства размером в струну, соответствующую постоянной Планка. По мере увеличения этой области растягивались и ультрамикроскопические струны — теперь их длина соизмерима с размерами Вселенной. Но они точно так же взаимодействуют между собой и производят те же вибрации и колебания. Продольные колебания порождают гравитационное излучение. Подробнее
Источник
7 вопросов физики, которые все еще остаются без ответа
Если бы Исаак Ньютон переместился в будущее, он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад представляли из себя загадку, сегодня преподают на школьных уроках. Ньютон был бы удивлен, увидев в работе Большой адронный коллайдер, а квантовая механика, скорее всего, показалась бы ему очень странным разделом физики. Хотя некоторые современные ученые считают так же.
Однако несмотря на многочисленные достижения, физика таит в себе еще много вопросов, на которые нет ответов.
1. Мы знаем, что материя состоит из атомов, атомы — из протонов, нейтронов и электронов, протоны и нейтроны — из кварков. Но из чего состоят кварки?
К сожалению, у ученых нет проверенной информации о том, являются ли кварки самой маленькой единицей или существует нечто меньшего размера. Здесь мы и сталкиваемся со Стандартной моделью, которая описывает взаимодействие элементарных частиц.
С помощью нее в 2012 году, после серии экспериментов в женевской лаборатории ЦЕРН, был открыт бозон Хиггса, который положил начало новым исследованиям и новому пониманию реальности. Ученые надеются, что его открытие расширит Стандартную модель, что в итоге поможет выяснить, что такое темная материя.
Смотрите также
2. Время движется только вперед. Или нет?
Благодаря Альберту Эйнштейну мы знаем, что во Вселенной есть не менее четырех измерений — три пространственных и одно временное.
Но время и пространство обладают отличными друг от друга свойствами. И эта особенность делает невозможными путешествия во времени. Если в пространстве можно двигаться вперед, назад и в любом другом направлении, то перемещаться во времени вперед или назад невозможно (а очень жаль!). Здесь мы подходим к такому понятию, как «энтропия» — единственной функции в физике, которая показывает направленность процессов.
Именно благодаря энтропии время «течет» вперед и не может быть повернуто вспять. По предположениям некоторых ученых, во время Большого взрыва общая энтропия Вселенной была гораздо ниже, чем сегодня. А значит, у нашей Вселенной могут быть «соседи», в которых время течет в обратную сторону. Однако единодушного мнения по этому поводу все еще нет.
Источник