Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе - Семихатов Алексей (книги txt, fb2) 📗
Жалоба
Напишите нам, и мы в срочном порядке примем меры.
Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе - Семихатов Алексей (книги txt, fb2) 📗 краткое содержание
Квантовая механика – самый точный из известных человечеству способов описания мира на той фундаментальной глубине, которая определяет его структуру, но недоступна прямому наблюдению. Только благодаря квантовой природе удается существовать атомам, людям, звездам и почти всему остальному. Квантовые эффекты, которые уже задействованы в технологиях, максимально приближаются к нашим представлениям о чудесах. Но в силу самого своего устройства квантовая механика оставляет недосказанности в отношении поведения квантовых объектов и свойств реальности.
На заре второго квантового столетия Алексей Семихатов, автор бестселлера «Всё, что движется», предлагает последовательное изложение современного состояния квантовой механики. Каковы принципиальные особенности квантового мира и какой ценой их можно примирить с интуицией? По каким правилам развиваются квантовые системы во времени и как в это развитие вмешиваются вероятности? Как различные интерпретации квантовой механики подталкивают нас к глубоко философским заключениям о возможном устройстве реальности – от параллельных вселенных до разрывов в восприятии? И как привычная нам реальность возникает из чуждой ей квантовой? Что все-таки делает квантовый компьютер, что и как вовлекается в квантовую запутанность и почему квантовым объектам приходится существовать без некоторых свойств? Оказывается, о квантовой механике можно всерьез говорить понятным языком, а обсуждение ее сложных мест делает этот разговор только интереснее.
Согласно квантовым законам и только лишь благодаря квантовым законам существуют атомы, из которых состоим и мы сами, и почти все на планете Земля; благодаря квантовым законам горит Солнце; квантовые процессы определяют взаимодействие света и вещества; весь наш мир собран из квантовых объектов. Но фундаментальная квантовая природа в глубине мира остается в основном незаметной из-за мельтешения огромного числа мельчайших участников. По отдельности они ведут себя квантово и взаимодействуют друг с другом тоже по квантовым правилам, но все вместе образуют привычный нам наблюдаемый, и почти ничем не квантовый, мир…. Парадоксальным образом привычные свойства окружающего мира основаны на чуждых ему квантовых явлениях.
Особенности
26 иллюстраций, нарисованных специально для книги. Иллюстратор Нюся Красовицкая предложила философско-метафорическое видение предмета, определяющая черта которого – отсутствие наглядности.
Квантовая механика не похожа на другие физические теории. Она поразительно успешна на практике, а ее логическая структура приводит к интригующим проблемам философского порядка. Ее вычислительная схема основана на строгих формальных предписаниях, но знаменательным образом обходит стороной вопрос о том, что же физически происходит в пространстве-времени. И в соответствии со своей собственной логикой квантовая механика ставит перед нами вопросы об устройстве реальности, но не затрудняет себя однозначными ответами.
Для кого
Для тех, кому интересно, какие правила игры, радикально отличающиеся от привычных, лежат в самой основе мира и определяют устройство и нас самих, и почти всего, что нас окружает.
Мир выглядел бы совершенно безумным, если бы в нашем восприятии отражалась даже малая часть экзотически запутанных состояний, которые в огромном количестве возникают в ходе эволюции волновой функции под управлением уравнения Шрёдингера. Общим местом была бы неопределенность положения и ориентации в пространстве; объекты находились бы в самых немыслимых комбинациях запутанных свойств.
Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе читать онлайн бесплатно
Алексей Семихатов
Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе
Научный редактор: Алексей Цвелик, канд. физ. – мат. наук
Редактор: Петр Фаворов
Иллюстрации: Нюся Красовицкая
Издатель: Павел Подкосов
Руководитель проекта: Александра Шувалова
Художественное оформление и макет: Юрий Буга
Корректоры: Ольга Смирнова, Наталья Федоровская
Верстка: Андрей Фоминов
Иллюстрация на обложке: Нюся Красовицкая
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
© Семихатов А., 2024
© Красовицкая А., иллюстрации, 2024
© ООО «Альпина нон-фикшн», 2024
Большинство из них даже не видят, в какую рискованную игру с реальностью они играют – с реальностью как чем-то, что не зависит от установленного.
Несмотря на беспрецедентный эмпирический успех квантовой теории, само предположение, что она может быть буквально верным описанием природы, до сих пор встречается с глубоким недоверием, непониманием и даже гневом.
Почему квантовая физика меня интересует: именно потому, что она ломает ограничения наших обычных представлений о реальности. [И] она постоянно подвержена этой псевдоспиритуалистской опасности.
Что в книге
Квантовая механика – самое удивительное, что когда-либо было изобретено людьми: она дает лучшее возможное описание невидимых и даже непредставимых объектов, но оставляет не вполне понятным, каким образом это ей удается.
Квантовая природа лежит в основе всего существующего, а знания о ней – в основе многих современных технологий. Каждый раз, когда нам удается использовать в наших целях квантовые эффекты, они оказываются самым близким приближением к чудесам, какое вообще возможно без нарушения законов природы.
Согласно квантовым законам и только лишь благодаря квантовым законам существуют атомы, из которых состоим и мы сами, и почти все на планете Земля; благодаря квантовым законам горит Солнце; квантовые процессы определяют взаимодействие света и вещества; весь наш мир собран из квантовых объектов. Но фундаментальная квантовая природа в глубине мира остается в основном незаметной из-за мельтешения огромного числа мельчайших участников. По отдельности они ведут себя квантово и взаимодействуют друг с другом тоже по квантовым правилам, но все вместе образуют привычный нам наблюдаемый, и почти ничем не квантовый, мир. Будучи его обитателем, я не проваливаюсь сквозь пол, вижу свет, греюсь в лучах Солнца и вообще являюсь продуктом и воплощением сложной химии, не особенно задумываясь, что не-квантовые правила (законы классической физики) не в состоянии ничего из этого обеспечить! Парадоксальным образом привычные свойства окружающего мира основаны на чуждых ему квантовых явлениях.
Чуждых – потому что лежащие в основании мира квантовые объекты не являются «горошинами, только очень маленькими», и на пути от нас к ним происходит качественный переход, фундаментальным образом меняющий правила игры и вообще понятия:
На очень малом масштабе вещи ведут себя иначе – не похоже ни на что из вашего непосредственного опыта. Они не ведут себя как волны, они не ведут себя как частицы; они не ведут себя ни как облака, ни как бильярдные шары, ни как грузики на пружинах – ни как что бы то ни было из того, что вам приходилось видеть.
Свою главную задачу в этой книге я вижу в том, чтобы сконцентрироваться на квантовых принципах и на логике квантовой механики, по возможности не жертвуя при этом доступностью. Принципы определяют и характер изложения.
О дисциплине, в течение почти ста лет максимально успешно описывающей мир, можно наконец перестать рассказывать извинительно-индуктивно, «выводя» ее основные положения из нескольких характерных опытных фактов, организованных в условно-историческую последовательность. Вполне возможно вместо этого начать с заявления основных ее принципов – руководствуясь идеей, что, сколь бы необычными они ни казались, ста лет их повсеместного использования достаточно для их валидации и в дополнительных «оправданиях» никакой нужды нет. В индуктивном изложении квантовой механики, кстати, скачок при переходе от ранних экспериментов к развитому формализму все равно никуда не исчезает; историческая же канва, приводимая «для поддержки», часто оказывается искаженной ретроспективным взглядом именно с высоты осознанных позднее принципов, что и историю лишает историчности, и принципы разбавляет конкретикой частных случаев.
Поэтому в этой книге нет ничего от учебника, от «краткого курса» физики. Равным образом не следует искать тут исторического изложения развития квантовой теории, хотя кое-какие отсылки к прошлому, разумеется, присутствуют, в том числе в привязке к некоторым фамилиям. (И еще я стараюсь избегать изобилия терминов, главным образом из опасения, что, один раз выпустив их на свободу, я не выдержу искушения и буду прятать за ними неполноту понимания и объяснений.) Зато в центре находятся главные положения квантовой механики и логические следствия из них, а также основные недосказанности квантовой механики. Эти последние определяются тем, что формальной (и на удивление хорошо работающей) схеме недостает привязки к физическим реалиям. Такое положение дел вызывает к жизни интерпретации – в широком смысле слова, попытки дополнить формальную схему квантовой механики более «смысловым», физическим содержанием. Развиваемые при этом рассуждения, как выясняется, доходят до вопросов о структуре реальности – приобретая тем самым даже философское измерение.
«Обычные» физические теории описывают какие-то конкретные аспекты физического мира, тогда как философские концепции оперируют более общими понятиями и в целом ведут независимое существование. Квантовая же механика уникальна сочетанием по крайней мере трех факторов: она, во-первых, дает количественное описание, во-вторых, имеет универсальную применимость и, в-третьих, затрагивает философские вопросы об устройстве реальности. Я хочу кратко прокомментировать каждое из этих положений.
Количественное описание. Квантовая теория с колоссальным отрывом лидирует среди всех областей человеческого знания по достигнутой точности совпадения теоретического результата и экспериментальных данных. Свойства электрона включают величину, которую можно (ценой значительных усилий) с высокой точностью вычислить теоретически, а кроме того (да, при большом старании), с высокой же точностью измерить в опыте. Эти две ничем не схожие стратегии действий дают фантастически близкие результаты (совпадают 12 значащих цифр):
