ПОЧЕМУ ДАЖЕ УЧЁНЫЕ ДО СИХ ПОР НЕ ПОНИМАЮТ КВАНТОВУЮ ТЕОРИЮ? 🔬 🧪

ПОЧЕМУ ДАЖЕ УЧЁНЫЕ ДО СИХ ПОР НЕ ПОНИМАЮТ КВАНТОВУЮ ТЕОРИЮ? 🔬 🧪

Сто лет назад Вернер Гейзенберг, Макс Борн, Паскуаль Йордан и Эрвин Шрёдингер заложили фундамент квантовой механики — науки, которая изменила наше понимание мира. Без их достижений мы, возможно, до сих пор смотрели бы на Вселенную через призму устаревших идей Ньютона и Максвелла. Но самое удивительное, что, несмотря на века исследований, даже лучшие умы физики до сих пор не могут до конца постичь, как работает квантовый мир. Забавно, правда? Люди изобрели лазеры, квантовые компьютеры и исследовали бозон Хиггса, но не могут договориться о том, что означает сама квантовая механика.

Квантовая теория уникальна: она крайне эффективна и точно предсказывает результаты экспериментов, но остаётся странной и даже парадоксальной. Так, например, наблюдение за квантовой системой напрямую влияет на её поведение. То есть сам факт, что вы на неё смотрите, уже всё меняет. Звучит странно? Это нормально, привыкните.

➤ Что не так с квантовой теорией?

С точными науками у человечества всегда складывалось примерно одинаково: мы строили теории, описывающие систему, например звезду, газ или планету, и дальше пользовались уравнениями, чтобы понять, как эта система будет вести себя в будущем. Такой подход, начиная с классической механики Ньютона, отлично работал длячастиц, небесных тел и даже с теорией относительности Эйнштейна. Но с квантами, маленькими вещами вроде электронов и фотонов, этот метод не сработал. Всё потому, что с квантами есть одна зловредная деталь — измерение.

До квантовой теории предполагалось, что любая физическая величина существует независимо от того, измеряем мы её или нет. Например, если нам нужен вес апельсина, то, как бы плохо мы ни работали весами, апельсин не перестанет весить определённое число граммов. Но в квантовом мире вещи не так очевидны. Здесь состояние частицы вроде импульса или местоположения нельзя полностью определить до тех пор, пока вы этот параметр не измерите. И даже тогда — держитесь за шляпы — делать это можно лишь с некоторой вероятностью. Принцип неопределённости Гейзенберга прямо утверждает: невозможно одновременно знать точное положение частицы и её скорость.

Квантовая механика описывает частицы через волновую функцию — математическое выражение, которое Шрёдингер придумал в 1926 году. Эта функция даже имеет своё собственное уравнение. Она позволяет предсказать, где может находиться частица, но не говорит точно, где она. И, конечно, акт измерения этой функции превращает неопределённость в результат, заставляя физиков чесать затылки и грустно вздыхать.

➤ Волны, вероятности и знаменитое недовольство Эйнштейна

Итак, как нам измерить что-то в квантовой механике? Макс Борн предложил считать, что результат измерения всегда является случайным, но его вероятность можно вычислить как квадрат волновой функции в данном месте. Такое предположение разрушило классическое представление о том, что Вселенная работает как идеальный механизм с заранее предсказуемыми событиями. Классический детерминизм оказался в прошлом, а физики разделились на два лагеря: тех, кто принял это, и тех, кто этого категорически не одобрил.

Эйнштейн громче всех высказывал своё недовольство. Его классическая фраза «Бог не играет в кости» критиковала случайность в квантовой механике. Но его волновала не только неопределённость. Эйнштейну стояла поперёк горла идея «запутанности» частиц. Если две частицы запутаны, то измерение одной мгновенно скажется на другой, где бы она ни находилась — хоть на другой стороне Галактики. Такого и близко не было в классической физике, где взаимодействие требует времени. Всё это едва не разрушало основы теории относительности.

➤ Что говорят современные учёные?

Физики до сих пор спорят о том, описывает ли волновая функция реальность, или это лишь инструмент для предсказаний. Нильс Бор и Вернер Гейзенберг считали, что пока волновая функция помогает нам прогнозировать экспериментальные данные, думать о реальности вовсе и не обязательно. Эйнштейн тут бы не согласился, конечно. Другие подходы, например многомировая интерпретация Эверетта, утверждают, что при каждом измерении Вселенная как бы раздваивается, и все возможные результаты происходят в параллельных мирах. Похоже на сюжет фантастического фильма? Возможно, так и есть.

Есть также физики, считающие, что надо искать скрытые переменные — какие-то неизвестные параметры, которые могли бы вернуть в науку детерминизм. Но, несмотря на богатство идей, никто так и не предложил модель, которая бы всё объясняла и не вступала в конфликт с экспериментами.

➤ Уроки из странного мира квантов

Несмотря на все загадки, квантовая механика продолжает приносить плоды. Мы используем её для разработки новых материалов, создания сверхточных сенсоров, квантовых компьютеров и даже для понимания Большого взрыва. Но физики пока так и не разобрались, почему это всё работает. Забавно, не так ли? Мы уверенно управляем машиной, не заглядывая под её капот.

И главный парадокс здесь: самые глубокие тайны квантовой теории — это именно те вопросы, которые заставляют нас расширять границы нашего мышления и подходов. Но пока нам остаётся довольствоваться тем, что наши представления о реальности остаются немного… размытыми.

И если вы думали, что телевизоры, которые работали только после удара, были головной болью, представьте себе попытку настроить Вселенную.