Квантовая теория поля. Квантовой теории
Основные идеи квантовой теории и ее эволюция
Содержание:
Основные идеи квантовой теории и ее эволюция.
1.Формирование квантовых представлений…………………………………3
2. Проблема полноты квантовой механики. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации…………………………………...5
3. Неравенство Белла и открытие А.Аспекта………...……………………11
4. Физический вакуум и его свойства……………………………………….12
Список использованной литературы………………………………………..16
1. Формирование квантовых представлений.
Почти одновременно с появлением теории относительности в физике произошло событие, которому суждено было стать началом еще одной революции в естествознании. 14 декабря 1900 года, когда в выступлении Макса Планка на заседании Немецкого физического общества впервые прозвучало слово "квант", считается датой рождения учения о квантах. Многие из творцов этого учения - сам Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Эдвин Шредингер и другие физики - не смогли примириться с тем, во что превратилось их детище. Например, Эйнштейн в 1925 году в письме Мишелю Бессо назвал квантовую механику "настоящим колдовским исчислением". А Шредингер, беседуя с Нильсом Бором в 1926 году, воскликнул: "Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с квантовой теорией!" Так рассуждали величайшие ученые, а что творилось в умах рядовых физиков, тем более трудно представить. Даже теперь, в 21 веке, ученые не прекращают попыток понять глубинные основы квантовой теории и объяснить смысл ее фундаментальных принципов. Что же заставило физиков работать над созданием квантовой теории? Прежде всего, желание понять природу необъяснимых с позиций классической науки явлений. После того, как стало понятно, что поле - особая форма материи, несводимая к веществу, модифицированная Лоренцем электродинамика Максвелла замечательно справлялась с описанием процессов излучения электромагнитных волн. Неразрешимые проблемы возникли при решении задач о взаимодействии излучения с веществом. В первую очередь это относилось к излучению черного тела, фотоэффекту и оптическим спектрам атомов.
Начало развитию квантовой механики положили работы М.Планка по теории излучения черного тела. Нужно было найти явный вид функции, определяющей спектральную плотность энергии излучения. Определить ее на основе только термодинамики не удалось. Использование электродинамических законов позволило Рэлею получить спектральное распределение:
, (формула Рэлея – Джинса). Здесь ω – частота излучения;
– спектральная плотность энергии излучения; T – температура; c – скорость света; V – данный объем. Этораспределение противоречило экспериментальным данным, так как предсказанный формулой Рэлея – Джинса неограниченный рост спектральной плотности с увеличением частоты в эксперименте не наблюдался, в области высоких частот спектральная плотность снижалась. Все попытки получить согласующийся с экспериментом результат оказались неудачными. Потребовался принципиально новый взгляд на вещи, который и был сформулирован в работах Планка. Планк представил вещество как набор колеблющихся осцилляторов и поставил задачу исследования равновесия, установившегося в результате обмена энергией между осцилляторами и излучением. Решая эту задачу методом классической физики, он получил распределение Рэлея. Было сделано предположение, что неправильность закона Рэлея связана со слишком большой ролью, которую в классической картине играют высокочастотные осцилляторы. Чтобы подавить значение высокочастотных осцилляторов, было сделано ключевое предположение, что вещество может испускать излучение только конечными порциями, пропорциональными частоте излучения. Энергия каждого осциллятора En = n ћ ω, где ћ – постоянная Планка, n – целое. В результате было получено распределение Планка (1900 г.), которое хорошо согласовывалось с экспериментом:
. Сначала это казалось просто остроумной гипотезой, решением частной задачи, но постепенно стало ясно, что эта дискретность порций энергии требует пересмотра принципов классической физики. Квантование энергии имеет смысл только для гармонических осцилляторов, в других задачах квант энергии определяется неоднозначно. Оказалось, что правильно считать, что ћ – квант действия. Но уже из существования кванта действия следовала взаимосвязь между динамическими переменными и переменными, характеризующими положение в пространстве, а это не укладывалось в классическую картину мира. Сразу стало очевидным, что аппарат аналитической механики пригоден для введения квантования.
Дальнейшим подтверждением квантовой теории были работы А.Эйнштейна о фотоэффекте (1905 г.) и модель атома Н.Бора (1913 г.). Фотоэффект – испускание веществом быстрых электронов под воздействием излучения. Оказалось, что энергия испущенных электронов не зависит от интенсивности излучения, а зависит от частоты. Это противоречило классическим представлениям. Эйнштейн предположил, что монохроматическое излучение состоит из квантов, причем энергия каждого кванта E = ħ ω. На основании этого предположения были получены результаты, которые прекрасно согласовывались с экспериментом.
Важным шагом вперед стала атомная теория Н.Бора. Классическая физика не смогла объяснить полученные эмпирическим путем спектральные законы – серии в спектрах излучения атомов. Планетарная модель атома, правильность которой подтверждалась в опытах Резерфорда, противоречила классической электродинамике: электроны должны были терять энергию при вращении вокруг ядра атома и падать на него. Бор сохранил планетарную модель атома, но ввел в нее квантовые принципы. Было сделано предположение, что электрон может находиться в состоянии с определенной энергией и в этом стационарном состоянии нет излучения. Излучение возникает только при переходе между состояниями. Принципиальный недостаток теории Бора заключался в искусственном наложении квантовых понятий на классические представления. Кроме того, теория Бора позволяла найти энергию стационарных состояний только для кругового движения. Развитием этой теории стали методы квантования Бора – Зоммерфельда, применимые для многомерного движения. Для определения различных квантовомеханических параметров, которые невозможно было вычислить с имевшимся аппаратом, Бор сформулировал замечательный принцип соответствия, который заключался в том, что для больших квантовых чисел классическая и квантовая физика должны давать одинаковые ответы, – например, по классически вычисленной интенсивности излучения можно вычислить вероятность перехода. В результате было создано то, что называется старой квантовой теорией.
2. Проблема полноты квантовой механики. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации.
Самые интересные моменты в истории и методологии современной физики связаны с решением проблемы интерпретации квантовой теории. Эта проблема и сейчас остается в центре внимания научного сообщества, так как ни сторонники копенгагенской интерпретации, ни ее противники не собираются оставлять своих позиций. Однако ни те, ни другие, не отрицая правомерности принципа неопределенностей в квантовой теории, тем не менее не проводят последовательно методологические принципы инвариантности, относительности и симметрии, которые, как мы указывали, непосредственно связаны с проблемой полноты квантовой механики. Как станет ясно из дальнейшего, если мы в своих исследованиях опираемся на эти принципы, то должны с необходимостью признавать, что вероятность есть объективная характеристика, неустранимый факт квантовой теории. А если это так, то нет оснований считать, что в квантовой механике присутствуют субьективно-позитивистские элементы и что она является якобы неполной теорией.
Подобные обвинения были выдвинуты с позиций реализма классической физики, которая отказывала вероятности в праве быть фактом с онтологическим содержанием. Но в действительности дело обстоит как раз наоборот. Если принять, что вероятность — объективная характеристика природы, т.е. имеет онтологическую нагрузку, то можно приблизиться к идеалу А.Эйнштейна, ориентированному на реалистическое толкование квантовой теории, хотя сам ученый в этом идеале не хотел видеть вероятности — “только факты”. Таким образом, если из тезы взять рациональное зерно — признание необходимости реалистического описания микромира, не стесненного, однако, классическими требованиями, из антитезы — признание вероятности как реальности, а не как недостаточности информации об объекте (с чисто гносеологической стороны), то можно прийти к синтезу — вероятностному реализму как диалектическому опровержению классической тезы. И тогда становится ясным, что квантовая механика является полной теорией и поэтому нет необходимости продолжать поиски “скрытых параметров”, имеющих целью вернуть физику к классическому идеалу классической картины мира.
Принимая в качестве критерия полноты теории удовлетворение требования, чтобы каждому элементу физической реальности соответствовал элемент физической теории, А.Эйнштейн, Б.Подольский и Н.Розен сумели показать, что описание квантового состояния волновой функцией не является полным — так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Как отмечает X.Бьом, уместнее в этом случае говорить об аргументе, а не о парадоксе, поскольку ничего парадоксального здесь нет. Парадокс означает нечто необыкновенное, странное, неожиданное, невероятное, а Эйнштейн, Подольский и Розен получили в своей работе именно такой результат, какой и хотели получить. Но иначе и не могло быть, поскольку они выбрали критерий реальности, противоположный самой сущности квантовой теории. Согласно этому критерию, существует элемент физической реальности, соответствующий данной физической величине, если ее значения можно определить только с вероятностью, равной единице. При таком критерии было бы парадоксальным, если бы авторы сумели показать, что квантовая теория не является неполной. Как известно, при корректном использовании формального аппарата невозможно опровергнуть то, что заложено в основе. Так что с помощью этого парадокса Эйнштейн не смог доказать несостоятельность квантовой теории, а более логично обосновал свою позицию,
mirznanii.com
Квантовая теория — FFWiki
Материал из FFWiki.
О курсе
Ядерка - о ядрах и частицах, атомка - об атомах, введение в кванты - "философия", а квантовая теория - инструмент. Мы долго готовились к восприятию квантовой теории - курса, который углубляет наши знания, переводит их на язык операторов и матриц, даёт в руки приближенные методы и тем самым приближает нас к современному подходу в квантовой физике.
Особенность курса в том, что отдельной книжки, которая охватывает курс целиком, просто нет - темы придётся искать в разных источниках. А посему рекомендуется посещать лекции.
Вопросы к экзамену на 1 и 2 потоках несколько отличаются друг от друга (2017 год), так что будьте внимательны.
Тесты
В весеннем семестре обычно бывает тест в ЦККО.
Задания для подготовки к тесту (2016) - могут пригодиться, чтобы проверить себя перед экзаменомЗачет
Силаев Петр Константинович - задает 4 задачи домой и принимает их решение. Плюс спрашивает теормин. Итого - зачет получить легко, особенно если у вас в его таблице-матрице не нулевая строка.
Экзамен
Как проходит
Силаев Петр Константинович - разрешает списывать на экзамене, спрашивает теормин у тех, кто не смог решить билет. В целом, очень лоялен, меньше тройки получить сложно.
Вопросы и билеты
Вопросы и задачи к экзамену (2017,pdf) - 1 поток http://hep.phys.msu.ru/4studs/quantum/2017/exam17m.pdf -|Вопросы и задачи к экзамену (январь 2018,pdf) Теоретический минимум (Силаев П.К.) (pdf) - 1 поток Вопросы и задачи к экзамену (2017, pdf) - 2 потокМатериалы
1-й поток
Ответы на теормин (2017) (pdf) - ошибок пока не обнаружено Ответы на теормин (pdf) - еще один файл с ответами на теормин Лекции Силаева П.К. (7-й семестр, pdf) - хороший конспект Лекции Силаева П.К (7-й семестр, pdf) - еще один хороший конспект Барон Яков. Решение экзаменационных задач. 2015/2016 (pdf)2-й поток
Прекрасные семинары Силаева П.К. с решением домашних заданий (6-й семестр) (pdf) Решения домашних заданий Силаева П.К. (6-7 семестры) (pdf)Полезное
Кванты подразумевают умение работать сразу в двух системах единиц - СИ и СГС. Нужно уметь решить задачу в СГС, а потом правильно перевести результат в СИ, чтобы понять, сколько вообще получилось. В случае с электрическими и магнитными величинами у всех путаница. Чтобы ее не было:
Литература
Основные задачники
Галицкий, Карнаков, Коган. Задачи по квантовой механике (pdf) - с подробными решениями задач Флюгге, задачник, том 1 (pdf) - разобраны основные задачи, тоже полезен Флюгге, задачник, том 2 (pdf) Гольдман, Кривченков. Сборник задач по квантовой механике (pdf) - можно найти задачи, которых нет в предыдущих задачникахОсновные учебники
Елютин, Кривченков. Квантовая механика с задачам (pdf) - основной учебник для 2 потока, содержит почти все, что нужно. Давыдов. Квантовая механика (djvu) Блохинцев. Основы квантовой механики (djvu) Ландау, Лифшиц. Том 3 (pdf) - классика квантов. Про уровни Ландау читать следует именно здесьМатериалы МФТИ
Видео-лекции. Часть 1. Корпускулярно-волновой дуализм -> Атом водорода (примерно соответствует нашему курсу атомной физики, но более формализован) Видео-лекции. Часть 2. Теория возмущений -> Теория рассеяния (примерно соответствует материалу 7-го семестра) https://vk.com/doc21198901_457345602?hash=1e254c5f056789d56d&dl=8b78773ad6e4780e0c - часть лекций 1 https://vk.com/doc21198901_457345608?hash=dc22816f415b7d9832&dl=dcc16f2c1dec23c5f1 - часть лекций 2Материалы Воронежского университета
Более узкая программа, но теория расписана хорошо. Некоторые задачи пересекаются с задачами нашего курса.
Задачи. Часть 1. (pdf) Волновая функция -> Интегралы движения Задачи. Часть 2. (pdf) Одномерные задачи -> Теория представлений Задачи. Часть 3. (pdf) Квазиклассическое приближение -> Теория атома гелия Лекции. Часть 1. (pdf) Волновая функция -> Интегралы движения Лекции. Часть 2. (pdf) Квазиклассическое приближение -> Элементы теории рассеяния
Дополнительно
Не для сдачи, но для понимания
Фейнмановские лекции. Том 8 (pdf) Фейнмановские лекции. Том 9 (pdf) Quantum Physics For Dummies (ENG) (pdf)Преподаватели
лектор 1го потока: Силаев Петр Константинович / Свешников Константин Алексеевич лектор 2го потока: Елютин Павел Вячеславович
Ссылки
См. также
Предыдущие курсы:
ffmgu.ru
Квантовая теория поля — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья
Важнейшей физической характеристикой элементарных частиц является их масса. Сегодня массы измерены с большой точностью. Например, масса электрона имеет величину me = 9, 1093897(54)•10-28 г = 0, 51099906(15) Мэв/с2, а масса протона (ядра атома водорода) — mp = 1, 6726231(10)•10-24 г = 938, 27231(28) Мэв/с2.
Второй важной физической характеристикой частицы является ее собственный механический момент, называемый спином. Спины частиц квантованы — они всегда кратны половине величины, называемой постоянной Планка ђ= 1, 05457266(63)•10-27эрг•с = 6, 5821220(20)•10-22 Мэв•с, так что они могут быть либо целыми (0, 1, 2…), либо полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2…). Частицы с целыми спинами называют бозонами, с полуцелыми — фермионами, их статистические свойства резко отличаются: количество бозонов, которые могут находиться в одинаковых состояниях, не ограничено, а два фермиона занимать одно и то же состояние не могут. Первые описываются статистикой Бозе — Эйнштейна, вторые — статистикой Ферми — Дирака.Электрические заряды элементарных частиц всегда квантованы и кратны величине элементарного заряда е = 1, 60217733(49)•10-19 кулона или его определенной части (в случае кварков — 1/3 е).
Важной характеристикой элементарной частицы является ее время жизни. Среди наблюдаемых элементарных частиц в настоящее время стабильными (с бесконечно большим временем жизни) считаются: электрон, фотон, нейтрино (разных типов) и протон, причем в ряде моделей предполагается, что последний может быть нестабильным. Остальные частицы нестабильны и распадаются по экспоненциальному закону, так что за время t их количество убывает в e-t/τ раз, при этом их время жизни τдля разных частиц варьируется в очень широком диапазоне (например, у нейтрального пиона - 10-16 с, а у нейтрона — 10 мин).Нестабильность элементарных частиц есть одно из проявлений их общего свойства взаимопревращаемости и является следствием взаимодействия их фундаментальных составляющих. Сегодня известны четыре базовых типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, различающиеся по силе (константе) взаимодействия. Взаимодействие между частицами ведет либо к превращению одних частиц в другие, либо к возникновению составных комплексов, таких как ядра атомов, атомы и молекулы, причем такие процессы подчиняются определенным законам сохранения. Это — законы сохранения энергии-импульса, момента количества движения, связанные с симметрией пространственно-временного континуума, а также сохранения электрического и других типов зарядов, относящиеся к различным, так называемым внутренним симметриям физических систем. При этом с каждым типом базового взаимодействия связаны свои законы сохранения, позволяющие различать их в практических экспериментах.Понятие квантового поля возникло в физике как синтез представлений о физических полях типа электромагнитного поля Фарадея — Максвелла и полей вероятностей, описываемых волновыми функциями в квантовой механике. Физические поля были введены, когда возникла необходимость отказаться от принципа мгновенного действия сил, существовавшего в механике Ньютона. Предполагается, что пространство между двумя взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) заполнено полем, которое служит переносчиком взаимодействия с одной из частиц на другую, причем перенос этот идет с определенной скоростью. Так электромагнитное поле передает действие одной заряженной частицы на другую со скоростью света и тем самым служит переносчиком электромагнитного взаимодействия между частицами. В случае квантовых полей происходит тот же процесс передачи взаимодействия, но и он происходит квантами — порциями, при этом в качестве последних выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда и др. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики массы, спина, заряда, а с другой стороны, взаимодействие между ними передается квантовым полем специального типа со своими квантованными характеристиками.Исторически первой физической теорией, созданной на основе этих представлений, стала квантовая электродинамика, построенная в конце 1940-х гг. С. Томонагой, Р. Фейнманом и Дж. Швингером. Она описывает процессы электромагнитного взаимодействия, в которых участвуют элементарные электрически заряженные частицы: электроны (и/или их античастицы — позитроны) и гамма-кванты (частными примерами которых являются видимый свет, радиоволны и гамма-излучение, испускаемое радиоактивными ядрами). Первые из них имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, одинаковую для электронов и позитронов. Вторые характеризуются спином, равным единице и нулевой массой.Простейшим примером электромагнитных процессов является рассеяние одного электрона (позитрона) на другом, происходящее с обменом гамма-квантом. Очевидно, что он физически эквивалентен процессу обычного кулоновского рассеяния, при этом обменный гамма-квант, не регистрируемый явно на эксперименте, называют виртуальным. Именно с такими квантами связывается кулоновское поле, при этом свойство его дальнодействия (точнее, бесконечного радиуса действия) есть прямое следствие того, что масса гамма-кванта равна нулю. Другим важным примером является процесс рождения электрон-позитронной пары из гамма-кванта в кулоновском поле ядер атомов или обратный этому процесс аннигиляции позитрона с электроном с рождением двух или трех гамма-квантов.
Для описания таких элементарных и более сложных процессов в квантовой электродинамике была разработана специальная техника фейнмановских диаграмм — графических рисунков, на которых свободные частицы описываются линиями, а их взаимодействие — пересечениями линий, узлами. Устанавливается строгое соответствие между диаграммой (любой степени сложности) и математическим выражением, которое позволяет рассчитать все физические характеристики описываемого этой диаграммой процесса. При этом элементарный акт электромагнитного взаимодействия, соответствующий рождению электроном (позитроном) реального или виртуального гамма-кванта, связывается с электрическим зарядом электрона е. При расчете физических характеристик процессов это приводит к появлению в их выражениях базовой константы электромагнитного взаимодействия б («постоянная тонкой структуры»), имеющей величину α = е2/4πђc= 1/137, 0360037(33). Эта универсальная константа фактически определяет силу электромагнитного взаимодействия и является его главной характеристикой.
Построенная позже, в середине 1960-х гг., квантовая теория слабого взаимодействия во многом аналогична квантовой электродинамике. К слабым процессам в физике относят процессы бета-распада ядер и элементарных частиц (например, нейтрона), в которых происходит рождение электрон-нейтринных (точнее, антинейтринных) или позитрон-нейтринных пар, процессы захвата ядрами электронов или мюонов, а также процессы рассеяния нейтрино на электронах, протонах или ядрах атомов (существуют также аналогичные процессы слабого рассеяния электронов). С точки зрения КТП элементарным актом слабого взаимодействия является процесс рождения нуклоном (протоном или нейтроном) или электроном (мюоном, тау-мезоном) тяжелого заряженного (W+, W-) или нейтрального (Z0) бозона, который затем мгновенно распадается на пару легких частиц, наблюдаемых в этом процессе экспериментально. При этом тяжелый промежуточный бозон служит в слабом процессе таким же передаточным звеном, каким в электромагнитном процессе является виртуальный гамма-квант. Однако, в отличие от последнего, бозоны имеют большую массу, и радиус их взаимодействия оказывается чрезвычайно малым, порядка 10-17 см. Это и есть радиус слабого взаимодействия. Вместе с тем тот факт, что физическая картина электромагнитного и слабого взаимодействий оказывается аналогичной, позволил физикам создать объединенную теорию, в которой оба взаимодействия при высоких энергиях частиц соединяются в единое, электрослабое. Различие между ними возникает при переходе от больших энергий к малым, в области же высоких энергий оно практически исчезает. При этом все четыре бозона (γ−квант, W+, W-, и Z0-бозон), ответственных за процессы переноса обменных полей, становятся членом единого семейства, обладающего определенной внутренней симметрией и соответствующими ей зарядами.
По этому же принципу построена квантовая теория сильного взаимодействия, лежащая в основе современных представлений о структуре элементарных частиц. Согласно этой теории, элементарные частицы — мезоны и барионы, наблюдаемые во время эксперимента, — построены из кварков, взаимодействие между которыми происходит путем обмена так называемыми глюонами, имеющими массу 0 и спин 1. Кварки имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, электрический заряд кварков составляет -1/3 или +2/3 заряда электрона, кроме того они обладают дополнительными зарядами, называемыми «цветом», «изоспином», «странностью» и др., причем обмен глюонами при взаимодействии изменяет их «цветовую» характеристику. Существует 6 типов различных кварков: u, d, s, c, b, t. Структурно барионы (например, протоны или нейтроны) построены из трех кварков разных цветов, но в целом бесцветны (т. е. имеют нулевой цветовой заряд), а мезоны — из кварков и антикварков и также как целое бесцветны. В современных теоретических схемах предполагается, что кварки всегда находятся только внутри элементарных частиц — мезонов и барионов — и в свободном виде не существуют. Исключением является специальное состояние материи при максимально высоких температурах и давлениях, когда барионов и мезонов не существует, а составляющие их кварковые и глюонные поля образуют так называемую кварк-глюонную плазму — особое состояние, которое, согласно современным представлениям, существовало во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва. При понижении температуры эта плазма распалась на отдельные элементарные частицы, из которых в дальнейшем были построены ядра, атомы и все другие объекты Вселенной.Квантовая теория сильного взаимодействия на уровне кварков может быть объединена с теорией электрослабого взаимодействия в общую теоретическую схему, называемую Стандартной моделью (Ш. Глэшоу, А. Салам, С. Вайнберг). В такой модели кварки образуют общее семейство с лептонами, в число которых входят электрон, мюон, тау-мезон и три типа нейтрино (называемых соответственно электронным, мюонным и тауонным), а гамма-квант и три промежуточных бозона, ответственных за слабое взаимодействие, объединяются в общее семейство с глюонами — переносчиками сильного.Эта модель, основанная на общих постулатах квантовой теории поля, позволила объяснить массу экспериментальных фактов, однако в конце 1990-х и в начале 2000-х гг. были открыты новые явления, не описываемые Стандартной моделью, что указывает на необходимость дальнейшего развития квантово-теоретических представлений. Предполагается, что они будут связаны с открытием новых типов симметрии квантового микромира, например, симметрии между фермионами — частицами спина 1/2, играющими роль базовых, и бозонами — частицами спина 1, исполняющими роль передающих взаимодействия. В этом случае возникают теоретические схемы, называемые суперсимметричными. Однако новых частиц, предсказываемых ими, пока экспериментально не найдено.
Наряду с этим сегодня широко исследуются возможности объединения Стандартной модели с квантовой теорией гравитации, в которой силы тяготения описываются как поля своих «элементарных частиц» — гравитонов.
Пройдя путь от квантовой электродинамики до Стандартной модели элементарных частиц, квантовая теория поля доказала, что она является одним из важнейших инструментов познания мира, соединяющим физические модели с высшими областями математики. Сегодня она применяется не только в физике микромира — она используется во многих областях теоретической физики: теории твердого тела, физике полимеров, теории турбулентности, теории критических явлений, статистической физике и других.
megabook.ru
Квантовая теория
В дополнение к высшим измерениям и Мультивселенной существует еще один тип параллельной вселенной — тот самый, что доставлял головную боль Эйнштейну и что продолжает мучить физиков и сегодня. Это квантовая вселенная, которую предсказывает обычная квантовая механика. Парадоксы квантовой физики представляются чрезвычайно трудноразрешимыми, и нобелевский лауреат Роберт Фейнман любил говорить, что никто на самом деле не понимает квантовой теории.
Да, квантовая теория — самая успешная теория, когда-либо разработанная человеческим разумом; да, точность ее предсказаний часто доходит до одной десятимиллиардной. Тем не менее эта теория построена на песке и полностью зависит от случая, удачи и вероятности. В отличие от теории Ньютона, которая дает точные и ясные ответы на вопросы о движении объектов, квантовая теория в состоянии назвать только вероятности. Чудеса современного мира — лазеры, Интернет, компьютеры, телевидение, сотовые телефоны, радары, микроволновые печи и т. п. — базируются на зыбучих песках вероятностей.
Возможно, самым наглядным примером этого может послужить знаменитая проблема «кошки Шрёдингера» (сформулированная одним из основателей квантовой теории, который, как ни странно, предложил эту проблему в надежде разгромить вероятностную ее интерпретацию). Шредингер очень злился на такую интерпретацию своей теории; он говорил: «Если действительно придется всерьез относиться к этим чертовым квантовым переходам, то я пожалею, что вообще принимал участие в этом деле».
Парадокс кошки Шрёдингера заключается в следующем: поместим кошку в запечатанный ящик. Пусть в ящике имеется заряженное ружье, нацеленное на кошку (причем спусковой крючок ружья связан со счетчиком Гейгера, рядом с которым находится кусок урана). В обычных обстоятельствах, если атом урана распадется, счетчик Гейгера сработает, ружье выстрелит, и кошка будет убита. Атом урана либо распадется, либо нет. Кошка либо будет жить, либо умрет. Это соответствует здравому смыслу.
Но в квантовой теории мы не можем знать наверняка, распался атом урана или нет. Поэтому мы должны сложить эти две возможности, т.е. сложить волновую функцию распавшегося атома с волновой функцией целого атома. Но это означает, что для описания кошки нам придется сложить два ее состояния. Так что кошка у нас окажется ни живой, ни мертвой. Она будет представлена как сумма живой кошки и мертвой кошки!
Фейнман однажды написал, что квантово-механическое описание природы «абсурдно с точки зрения здравого смысла, и при этом оно полностью согласуется с экспериментом — так что, я надеюсь, вы сможете принять эту природу в ее абсурдном образе».
Эйнштейну и Шрёдингеру такой взгляд представлялся нелепым. Эйнштейн верил в «объективную реальность», здравый смысл, ньютоновский взгляд на мир, где объекты существовали в одном определенном состоянии, а не как сумма множества возможных состояний. Тем не менее в основе современной цивилизации лежит именно такая необычная интерпретация. Без нее не смогла бы существовать современная электроника (да и атомы нашего тела тоже). (В обычном мире мы иногда шутим, что невозможно быть «немножко беременной». Но в квантовом мире дело обстоит еще хуже. Женщина в нем существовала бы как сумма одновременно всех возможных состояний ее тела: она была бы одновременно небеременной, беременной, девочкой, старухой, девушкой, деловой женщиной и т.п.)
Существует несколько способов разрешить этот неприятный парадокс. Основатели квантовой теории верили в так называемую копенгагенскую интерпретацию и считали, что, как только вы откроете ящик, вы сможете провести измерения и определить, жива кошка или мертва. После этого — все. Волновая функция «зафиксировалась» в одном из состояний; после этого здравый смысл берет верх. Волны исчезают, остаются одни частицы. Это означает, что кошка наконец приходит в определенное состояние (или живое, или мертвое), и ее уже не нельзя описывать волновыми функциями.
Таким образом, существует невидимый барьер, разделяющий причудливый мир атомов и макроскопический мир людей. В атомном мире все описывается через волны вероятностей, и атомы могут находиться в нескольких местах одновременно. Чем больше волновая функция частицы в данной точке, тем больше вероятность обнаружить частицу именно здесь. Но в мире больших объектов волновые функции уже зафиксированы, и объекты существуют в определенном состоянии. В макромире царит здравый смысл.
(Когда к Эйнштейну приходили гости, он показывал на Луну и спрашивал: «Неужели Луна существует потому, что на нее смотрит мышь?» В каком-то смысле копенгагенская школа давала на этот вопрос положительный ответ.)
В большинстве серьезных учебников по физике с религиозной точностью излагается точка зрения копенгагенской школы, но многие физики-исследователи от нее уже отказались. Теперь у нас есть нанотехнологии, мы можем оперировать отдельными атомами — и получается, что атомами, которые то возникают, то исчезают, тоже можно произвольно манипулировать, хотя бы при помощи туннельного сканирующего микроскопа. Таким образом, невидимой «стены», разделяющей микромир и макромир, не существует. Мир един.
В настоящее время у физиков нет единого мнения о том, как разрешить эту проблему, лежащую в самом сердце современной физики. На конференциях происходят жаркие споры, сталкиваются многочисленные теории. Кое-кто полагает, что должно существовать некое «космическое сознание», пронизывающее Вселенную. Объекты возникают, начинают существовать, когда производятся измерения, а измерения производят существа, обладающие сознанием. Следовательно, должно существовать единое космическое сознание, которое пронизывает всю Вселенную и определяет, в каком состоянии мы находимся. Некоторые подобно нобелевскому лауреату Юджину Вигнеру утверждают, что это доказывает существование Бога или, по крайней мере, некоего космического сознания. (Вигнер писал: «Невозможно было сформулировать законы [квантовой теории] совершенно последовательно без ссылки на сознание». Он даже проявил интерес к ведической философии индуизма, согласно которой нашу Вселенную пронизывает единое всеобъемлющее сознание.)
Еще один взгляд на парадокс кошки — идея «множественности миров», предложенная Хью Эвереттом в 1957 г. Эта теория утверждает, что Вселенная просто расщепляется надвое, причем в одной половине кошка остается живой, в другой — мертвой. Это означает, что каждый раз, когда происходит квантовое событие, параллельные вселенные размножаются или ветвятся. Существует любая вселенная, какая только может существовать. Чем причудливее вселенная, тем она менее вероятна, но все же такие вселенные существуют. Это означает, что существует параллельный мир, где нацисты выиграли Вторую мировую войну, и мир, где Великая испанская армада не была разбита и все теперь говорят по-испански. Другими словами, волновые функции никогда не схлопываются и не фиксируются в каком-то определенном состоянии. Они продолжают жить своей жизнью, а Вселенная жизнерадостно ветвится и расщепляется на бесконечное число параллельных вселенных.
Физик Алан Гут из Массачусетского технологического института говорит: «Существует вселенная, где Элвис до сих пор жив, а Альберт Гор стал президентом». Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек говорит: «Нас мучает сознание того, что бесчисленное количество наших почти точных копий живет своей параллельной жизнью и что каждое мгновение возникает еще больше наших дублей, чтобы разделить с нами множество вариантов нашего будущего».
В настоящее время среди физиков набирает популярность концепция так называемой декогерентности. Эта теория утверждает, что все параллельные вселенные возможны, но наша волновая функция потеряла когерентность с ними (т.е. уже не колеблется в унисон с другими вселенными) и потому не может с ними взаимодействовать. Это означает, что вы в собственной гостиной сосуществуете с волновыми функциями динозавров, инопланетных пришельцев, пиратов, единорогов и каждый из обитателей свято верит в то, что именно его вселенная является «настоящей»; но все эти сосуществующие вселенные больше не «настроены в тон» друг с другом.
Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает такую ситуацию с настройкой радиоприемника. Вы прекрасно знаете, что ваша гостиная буквально затоплена сигналами десятков радиостанций со всех концов страны и мира. Но ваше радио настраивается только на одну частоту и, соответственно, только на одну станцию. При этом она «теряет когерентность» с остальными передающими станциями. (Суммируя, Вайнберг замечает, что концепция множественности миров — «убогая идея, но все остальные еще хуже».)
Подведем итог. Существует ли зловещая Федерация планет, которая грабит более слабые планеты и убивает без разбору своих врагов? Возможно, существует, но, если это так, мы потеряли когерентность с этой вселенной.
Интересная статья? Поделись ей с другими:
Комментировать материалы сайта могут только зарегистрированные пользователи. Зарегистрируйтесь пожалуйста для полноценной роботы с сайтом.Спасибо!
quantum-tech.ru
