Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул

Андрей Жуковский

С одной стороны, квантовая механика (КМ) — это прекрасно работающая теория. Несмотря на это, никто в мире пока не понимает, как выглядит «квантовый» мир. Результаты экспериментов здесь удивительны, формулы, описывающее эти эксперименты — угаданы, а объяснения этих формул настолько парадоксальны, что похожи на фантастический рассказ. Целью этой книги как раз и является интересный рассказ обо всем этом — без скуки и сложных научных оборотов.Если вы хотели когда-нибудь разобраться с КМ — вам сюда!

Введение в квантовую физику

Долгое время ученые думали о том, что микромир устроен по таким же законам, что и мир больших тел. Однако затем (в начале прошлого века) они решили, что это не так, что в мире элементарных частиц все устроено по-другому.

Опуская длинную предысторию появления и развития квантовой механики, мне хотелось бы вам рассказать о самых последних рубежах этой науки, т. е. об основных положениях и парадоксах, известных в КМ в 2024 году. Более того, мне хотелось бы рассказать об этом самым простым образом. Для того чтобы это сделать, я постараюсь показать вам отдельно те положения, которые признаются всеми учеными, и те положения, которые до сих пор носят дискуссионный характер.

В начале нашего пути мы поговорим о странностях квантового мира. Для того чтобы сразу структурировать информацию по этому вопросу, я бы предложил разделить все парадоксы, обсуждаемые в современной квантовой физике, на три различные группы.

К первой группе я бы отнес изумляющие ученых странности микромира, полученные в результате проведенных ими экспериментов.

Вот уже более ста лет ученые проводят эксперименты, которые показывают, что элементарные частицы ведут себя в них самым необычайным образом, т. е. совершенно не так, как это принято в мире «больших» тел. Подробнее о том, как это происходит, я расскажу ниже, пока же давайте договоримся, что я назову эти парадоксы странностями «первого» рода.

Эти странности не относятся к самой КМ, они относятся исключительно к микромиру, к его реальности, к результатам экспериментов, которые мы в нем проводим. Именно эксперименты демонстрируют нам огромную разницу между микромиром и макромиром, показывая нам необычайную «логику» его работы!

Следующую группу «странностей», которую мне хотелось бы выделить, я предлагаю назвать странностями самой квантовой теории.

Ко второй группе странностей я бы отнес «странности» самой квантовой теории, которая, объясняя «странную реальность», выявленную в ходе экспериментов, сделала это также весьма странным и парадоксальным образом.

Мы, конечно же, разберем их позднее, пока же необходимо сказать следующее — у нас нет никаких оснований сомневаться в корректной работе формул КМ, поскольку они не только хорошо объясняют результаты имеющихся экспериментов, но и хорошо предсказывают поведение ЭЧ.

Целый ряд ученых был бы рад объяснить результаты полученных опытов как-то иначе, чем это делает КМ, однако пока у них ничего не получается. В настоящее время у человечества нет иной теории, хорошо предсказывающей поведение микротел. Таким образом, сегодня КМ остается единственной хорошо работающей теорией в этой области.

Множество именитых ученых считают, что КМ является недеформируемой (окончательной) теорией. Но если они ошибаются (ведь ошибиться могут все, не правда ли?), то через некоторое время КМ может сменить какая-то другая теория, которая будет рассчитывать эволюцию частиц как-то иначе (и лучше!).

Третья группа странностей — это гипотезы, которые ученые выдвигают для того, чтобы попытаться объяснить, как выглядит невероятно странная реальность, которая скрывается за странными формулами КМ. Фактически это странности интерпретаций КМ.

Как уже было сказано, формулы КМ — это всего-навсего угаданный математический аппарат, который позволяет сделать верный квантово-математический расчет. Но что «прячется» за тем или иным математическим понятием, которое вводит КМ в нашу жизнь? Какие процессы на самом деле описывают формулы КМ? Как на самом деле выглядят «микроскопические частицы», из которых состоит вся материя планеты?

Необходимо сказать, что парадоксальность утверждений КМ привела к тому, что в настоящее время существует как минимум 15 более-менее известных интерпретаций этого фундаментального раздела физики. Каждая из таких интерпретаций погружает нас в свой особый, неповторимый мир физической реальности, который может содержать едва ли не «все что угодно» — начиная от фактического отсутствия этой реальности между измерениями до ее присутствия в виде бесчисленного множества реальных миров. Разумеется, мы не сможем здесь проанализировать все существующие интерпретации (тем более что они продолжают создаваться), однако постараемся далее кратко рассказать о самых основных из них.

Итак, давайте попробуем посмотреть на все системно и без спешки, начав рассмотрение КМ со «странностей первого рода», о которых мы сказали выше.