Сложные квантовые прЕколы.
Если какие-то соображения теории относительности показались Вам недосягаемыми даже после многократного прочтения, то можно смело тикать з городу, ибо квантовые особенности вообще не поддаются каким-то интуитивными представлениям. Ричард Фейман писал в одной из своих неисчислимых работ нечто следующее: «На данный момент (середина ХХ века) существует десяток людей, понимающих теорию относительности на интуитивном уровне. Квантовую теорию же не понимает никто». И это совершенно нормально.
Принцип неопределенности Гейзенберга. Крайне важное слово в истории квантовой физики. Чтобы изучить что-либо, необходимо послать в сторону изучаемого объекта некий зонд (фотон) и получить его отражение. Благодаря этому мы видим. Лампочка излучает эти самые фотоны. Они отражаются от стен, кровати, стола и всех других объектов в комнате, прежде чем попадут в глаз наблюдателя. Также и с любым детектором. Только в зависимости от типа изучаемого объекта используются разные зонды, не обязательно фотоны.
Фотоны, они же гамма-кванты, характеризуются энергией и частотой. Чем выше частота, тем выше энергия гамма-кванта. Если мы хотим узнать положение очень маленькой частицы в пространстве, то разрешающая способность определения этого самого положения зависит от частоты, т.е. энергии гамма-кванта. То есть гамма-квант, имеющий некую энергию Е, взаимодействует с какой-то частицей А, передавая ей часть своей энергии, и уносится в детектор. НО. Существует глобальное «НО». Чем выше энергия гамма-кванта, тем точнее мы определяем его местоположение, но тем сильнее мы искажаем ход событий, «заряжая» частицу А частью энергии гамма-кванта. Говоря проще, летела частица А своей дорогой. Внезапно, до нее «докопался» гамма-квант, отразился, передав энергию Е0. В результате сей процедуры, ошарашенная наглостью частица А меняет свое направление, причем настолько сильно, насколько «энергичен» был «подкатывающий» гамма-квант.
Принцип неопределенности гласит, что чем детальнее мы исследуем то или иное явление (в данном примере движение частицы А), тем сильнее мы изменяем «предначертанный» ход событий. Но в этом принципе лежит гораздо большее, чем просто искажение событий. Чем детальнее мы подходим к изучению той или иной области, тем непонятнее, что там должно происходить.
И речь идет о так называемых квантовых флуктуациях. В квантовой физике совершенно нормальным считается создание из гамма-кванта пары электрон и антиэлектрон, если его энергия превышает двойную энергию покоя электрона. На взятом из интернета рисунке это относительно наглядно проиллюстрировано и прокомментировано.
Таким образом оказывается, что понятие абсолютный вакуум (область, полностью лишенная каких-либо частиц) есть лишь абстракция, ибо в каждой точке пространства происходят эти самые флуктуации. В наших макро-масштабах они совершенно незаметны, однако в микромире это вполне естественное явление. И чем уже область исследования, тем сильнее эти самые флуктуации, тем непонятнее, что происходит в квантовом «шуме». Это и есть тот глубокий смысл принципа неопределенности Гейзенберга.
Эрвин Шредингер, относительно широко известный, благодаря своему коту, привел волновое уравнение, заложив основы волновой квантовой механики. Одной из важнейших особенностей решения квантовых уравнений является то, что ответом является вероятность. То есть условно говоря, решив уравнение, мы можем сказать, что с вероятностью 0.5 (50%) частица А окажется в точке О. А там бросайте монетку.
Вспомним интерференции света. Однако если для световой волны еще можно как-то представить интерференцию на примере морских волн, то полную аналогию подобного эксперимента на одиночно вылетающих электронах уложить в голове, не вызвав естественных восклицаний практически нереально. Как сравнивал Ричард Фейман, если проделать в стене щель, стрелять по ней из пулемета и видеть нормальную картину (пули сосредоточены за щелью), а затем проделать вторую щель и увидеть интерференционную картину. Интерференцию электрона он объяснил еще более радикальным заявлением, чем само явление. Фейман постулировал, что электрон проходит через обе щели сразу. Более того, он одновременно движется по всем возможным траекториям одновременно! Электрон находится в каждой точке пространства с какой-то вероятностью, а сумма вероятностей по всем траекториям равняется единице. Электрон пролетает вокруг препятствия с щелью и попадает на экран. Электрон вылетает в окно, долетает до Красной площади, возвращается и попадает в экран. Электрон покидает пределы Солнечной системы, покидает Млечный путь, долетает до Туманности Андромеды и возвращается на экран. У каждой из этих немыслимых траекторий, пусть и бесконечно малая, но существует вероятность. И сумма всех вероятностей равна единице, ибо электрон все же попал на заветный экран. ЗДАРОВА!
Частицам в микромире свойственно занимать энергию у пространства и возвращать её, преодолевая какие-то барьеры. В результате этого и происходят те самые флуктуации. Для одиночно летящей частицы А существует вероятность того, что она совершит заём энергии у пространства, такой что ей хватит энергии преодолеть бетонную стену толщиной полметра. Как показал в одной из важнейших для квантовой физики работ Макс Планк – энергия квантуется. Как бы вы не хотели занять у соседа полкопейки, у вас это никак не выйдет (в соответствующей валюте). Так и с энергией. Если бы постоянная Планка была бы достаточно большой, то квантовые эффекты, флуктуации, и явления типа прохождения сквозь стены были бы достаточно привычными. Однако у Вас может получиться пройти сквозь стену. Ибо так или иначе, существует вероятность, пусть и сравнимая с путешествием электрона до Туманности Андромеды, что ВСЕ частицы, слагающие Вас, совершат заветный скачок и «выскочат» в той же конфигурации, что и скакнули. Вероятность эта меньше, чем любое число, которое вы способны написать на самом большом ватмане в истории человечества, но она существует.
Альберт Эйнштейн крайне скептически относился к квантовой механике в первую очередь из-за этих самых вероятностей. «Бог не мог доверить столь элегантную вселенную воле случая», нечто в этом духе писал великий физик.