Проблемы фундаментальной физики

Итак, вторая нерешённая проблема — проблема космологической постоянной. А начну я, как обычно, издалека.

Глава 1 — Такая непонятная физика

Есть в физике вещи, которые сложно понять нашим человеческим умом. К примеру, связь времени и координат, описанная в теории относительности. Мозг протестует при одной попытке представить, что скорость времени напрямую зависит от обычной вашей скорости.
Также невозможно представить себе искривление трёхмерного пространства. Мы, из наших трёх измерений, можем наблюдать как гнётся двухмерное пространство — для этого достаточно надавить пальцем на поверхность кровати.

А теперь представьте, как четырёхмерный палец давит на трёхмерную простыню. *звук взрывающегося мозга* В лучшем случае получится что-то вроде картинки сверху, где прогнулась строго двухмерная решётка.

Чтобы мозги повсеместно не взрывались, для некоторых физических явлений придуманы удобные аналогии: например атом показывается как шарик, вокруг которого вращаются спутники-электроны.

А что, разве не вращаются? — спросите вы. Нет, не вращаются. Это всего лишь планетарная модель атома, которая позволяет запомнить, что у атома есть ядро и электроны — самое то для использования в школьной программе. В миллион раз ближе к истине схема, в которой электрон это облако.

Чем плотнее облако, тем больше вероятность обнаружить в данной точке электрон. А пока его не обнаружили, не измерили — он находится во всех точках сразу. Эта двойственная природа элементарных частиц есть самый мозговыносящий момент квантовой механики, и на нём я остановлюсь чуть подробнее.

Глава 2 — Квантота

Открытие принципов квантовой механики есть прекрасный пример того, как из маленькой идеи вытекают воистину великие следствия. В начале XX века физики не могли решить простую на первый взгляд проблему: почему цвет излучения тел меняется от температуры нагрева. Макс Планк предложил нетривиальное решение, в котором излучение было не непрерывным, а существовало в виде небольших дискретных порций? позже Эйнштейн назвал их квантами.

После Планка над квантовой механикой поработали, каждый понемногу, Эйнштейн, Де Бройль, Бор, Шредингер, Гейзенберг, Юнг и прочие физики. Глобальный вывод был примерно такой — вся окружающая нас материя это и волны, и частицы. Причём одновременно.

Были проведены опыты, которые это показали в очень явном виде. К примеру, опыт Юнга. Для любой волны нет ничего более естественного, чем создание так называемой интерференционной картины, которая представляет из себя чередование тёмных и светлых полос. Механизм её возникновения довольно прост: мы пропускам свет через две щели, на выходе максимумы и минимумы накладываются. Это явление работает даже для звука, как собственно, и для любой другой волны.

Теперь пропустим через две щели пучок частиц — электронов. Нам, привыкшим думать об элементарных частицах как о маленьких шариках, будет довольно трудно представить, как они вдруг чудесным образом размазываются по пространству.

В квантовом состоянии положение электрона описывается не координатами или скоростью, а так называемой волновой функцией. Её можно представить в виде облака с различной плотностью или в виде трёхмерного графика, где высота означает вероятность нахождения частицы в данной точке.

У волновой функции тоже есть максимумы и минимумы, которые успешно друг на друга накладываются, выдавая интерференционную картину. Однако не такое уж это и чудо. Два электрона становятся волнами и взаимодействуют друг с другом — наш мозг с таким положением вещей вполне способен примириться. В миллион раз труднее поверить в то, что даже одиночный электрон создаёт интерференционную картину — то есть проходит одновременно через две щели и взаимодействует сам с собой. Именно такой результат показывает опыт Юнга с испусканием одиночных электронов.

И всё же главная магия заключается не в поведении электрона-одиночки как волны. Установив после щелей прибор для регистрации частиц, мы обнаружим, что электрон ловится либо у правой прорези, либо у левой, а одновременно у обоих прорезей — никогда. Дело в том, что для обнаружения электрона мы должны на него повоздействовать, стукнуть фотончиком или как-то ещё. От такого грубого обращения волновая функция коллапсирует и вместо размазанной по пространству вероятности предстаёт в виде точечного возмущения, которое прекрасно соответствует термину «частица».

Лучший аналог коллапса волновой функции это подбрасывание монеты: пока она не приземлится, мы не знаем, выпадет орёл или решка. Вероятность — 50 на 50. Однако после падения на одну из сторон, распределение вероятностей меняется — мы видим решку, которая занимает все 100 процентов. Так вот, после установки регистрирующего устройства, электроны начинают вести себя как маленькие шарики, а опыт Юнга выдаёт вполне понятный и привычный нашим мозгам результат.

Глава 3 — Промежуточный итог

Так же, как частица «превращается» в волну, волна или поле, может вести себя как частица. Например, электромагнитная волна при взаимодействии с веществом ведёт себя как поток фотонов. То есть фотон это квант электромагнитного поля. В свою очередь фотон Хиггса — квант Хиггсовского поля. Собственно, каждому виду поля соответствует свой квант.

Опять же, нам сложно понять, почему волна, которая на всех картинках рисуется как нечто плавное и непрерывное, становится дискретной, состоящей из отдельных частей. Помните, с какой мысли я начал пост: есть в физике такие вещи, которые невозможно описать бытовыми аналогиями. В конечно итоге, электрон это и не частица, и не волна, это нечто третье, чему просто нет аналогов в привычном нам макромире.

Однако это нечто прекрасно описывается математическими формулами, такими как уравнение Шрёдингера. Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение Шрёдингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны, соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон, смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением.

Небольшая ремарка: лично для меня есть нечто завораживающее в том, как изобретенный людьми абстрактный математический аппарат судя по всему способен описывать реальную вселенную. Все эти закорючки, стрелочки, дивергенции и роторы, сложенные в определённом порядке, начинают соответствовать поведению реальных частиц или волн, которые, как мы помним, являются в конечном итоге чем-то третьим и находят абсолютное подтверждение в опыте.

Опубликовано в Мифы Метки: , , ,

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*