Волны и частицы: квантовая механика в двух словах

«Часто утверждают, что из всех выдвинутых в этом веке теорий, квантовая теория — самая глупая. Некоторые говорят, что единственное достоинство квантовой теории состоит в том она бесспорно верна.»

Ричард Фейнман

Очень приблизительное объяснение квантовой физики для неспециалистов состоит в том, что материя рассматривается как нечто неизвестное, которое можно считать состоящим из маленьких кусочков, называемых «частицами». Каждая из них ведёт себя и как частица, и как волна. Волны совершают колебания. Когда они сильны, то вы, скорее всего, обнаруживаете связанную с волной частицу. Длина волны — удивительное явление: по ней можно определить скорость/импульс или «толчок», которые может передать частица. Принцип неопределенности говорит, что если вы определяете точное местонахождение частицы в пространстве, то теряете возможность определить другую информацию, как то, длину ее волны. С другой стороны, если вам известна длины волны, то исчезает возможность определить точное местонахождение частицы. Измерение одного из аспектов делает другой неопределимым; в повседневной жизни это можно было бы сравнить с сосредоточением внимания на одном предмете, когда интерес к другим предметам на какое-то время теряется.

Квантовые объекты (частицы) существуют в виде суперпозиции, или линейного наложения, именуемого квантово-волновой функцией . Оно представляет собой сумму множества возможных состояний. Частица пребывает во множестве состояний — или «миров», согласно «теории множественности миров» квантовой механики. Когда вы измеряете частицу или другой квантовый объект, состояния (или волновая функция) коллапсируют и тогда регистрируется только одно состояние. Измерение «схлопывает» волновую функцию множества состояний в одно, так сказать, измеренное состояние.[161]Физики называют это одно измеренное состояние «реальным», а об остальных стараются думать как о возможностях, некоторые из которых более вероятны, чем другие. Согласие в отношении реальности для физиков достигается только путем измерения.

Куда деваются другие состояния после измерения? Здесь квантовая физика граничит с философией и психологией. Ответ на этот важный вопрос определяет ваша точка зрения (коль скоро она имеет измеримые результаты!). Мы можем лишь сказать, что подоплека реальности непонятна, или, как говорит Фейнман, «глупа». Мы не знаем, где, в точности, находится материя. Мы также не знаем, где находятся все состояния частицы. Они нелокальны. Они находятся везде.

Какова моя точка зрения на квантовую теорию? Я люблю ее. Она напоминает мне теорию сновидений. Важнее всего то, что «работает» для данного человека, то, насколько согласуется его индивидуальный опыт с предлагаемой вами реальностью. Однако другие составляющие сноподобных процессов, которые вы не можете видеть, для многих психотерапевтов тоже реальны. Сегодня, вы можете не видеть этих составляющих, но они легко могут появиться завтра, или этой ночью в сновидении.

Энергия нулевых колебаний

Маятник часов со временем останавливается. Но в квантовой физике, подобное колебательное движение не может полностью затухнуть, а будет продолжаться в форме беспорядочного «покачивания» около точки покоя с небольшой энергией — так называемой «энергией нулевых колебаний». Хотя такое покачивание невозможно увидеть невооруженным глазом, это явление имеет большое значение в физике. В качестве примера можно привести наличие в микроволновом приемнике определенного количества «шума», от которого невозможно избавиться, независимо от совершенства технологии. Всем физическим объектам — маятникам и полям, радиоволнам и свету — присуще это покачивание, свойство непрерывной флуктуации. Вы никогда не сможете от нее избавиться, даже в условиях самого наилучшего вакуума.

Вакуум более не может считаться таковым, поскольку на самом деле, он «трясется» невидимой активностью даже при абсолютном нуле — температуре, при которой, как считают, прекращается всякое движение молекул! Точно не известно, насколько велика «энергия нулевых колебаний» вакуума. Некоторые космологи (то есть люди, изучающие вселенную) считают, что в начале, когда условия повсюду были подобны условиям внутри черной дыры, энергия вакуума была очень велика. Предположительно, она спровоцировала Большой взрыв. В принципе, сегодня, энергия вакуума должна быть меньше; однако многие думают, что ее вокруг достаточно, чтобы ее извлекать. Некоторые психологи могли бы назвать эту энергию вакуума «сновидящей» во время сна.

Энергия нулевых колебаний делает неизбежным шум в электронных приборах, а также обнаруживается в эффекте Казимира, то есть, в силах и давлении вакуума. См. приложение 3.

Эффект Казимира: Сила ничто

В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир (Hendrik Casimir) высказал предположение о существование материальной силы, основывающейся на флуктуации минимальной энергии Гейзенберга в вакууме. Вспомним из Приложения 2 об энергии нулевых колебаний, что вакуум или «пустое пространство», на самом деле состоит из переменных флуктуаций энергии и электромагнитных полей. Абсолютного вакуума не существует В принципе, волны в «вакууме» могут иметь любые частоты. Физики даже могут вычислить среднюю ненулевую энергию флуктуации волны вакуума, равную половине энергии фотона. Казимир предположил, что если поместить в вакуум очень близко друг к другу две крошечные пластинки, то между ними будет достаточно места для движения коротких волн, но недостаточно для более длинных. Волны, удерживаемые снаружи, будут «давить» на обе пластинки, или зеркала, создавая силу, которую сегодня называют «силой Казимира» или «силой ничто». Этот эффект давления флуктуирующих полей был экспериментально обнаружен в 1993 году.[162]

Этот эффект может быть проиллюстрирован действием волнения моря на рядом стоящие корабли. Их будет «прибивать» друг к другу волнами, длина которых больше чем расстояние между кораблями.

(Рисунок 3.1. Сила ничто Казимира. Волны возникают в результате нулевых колебаний вакуума. Большая по длине волна не умещается в зазор между пластинками или зеркалами, и поскольку она не может «проникнуть» в этот узкий зазор, она создает давление между зеркальными пластинками. Надпись на рисунке: СИЛА ИЛИ ДАВЛЕНИЕ НИЧТО )

На рисунке 3.1 вы можете видеть, что небольшая волна (с малой длиной) умещается между пластинками (или кораблями). Если два корабля находятся на гребнях этой небольшой волны, то более длинные волны, которые не могут уместиться между кораблями, будут толкать их снаружи, и прижимать друг к другу.

То же самое справедливо и для квантового вакуума. Если вместо кораблей вы имеете два зеркала, то квантовые волны «вакуума», не помещающиеся между пластинками, будут толкать их друг к другу.

Недавние достижения в развитии теории Казимира, опубликованные Бернардом Хейшем с сотрудниками в журнале Physical Review , показывают, что эта «сила ничто» может быть связана с инерцией всех материальных тел.[163]Если вы что-либо толкаете — даже если это мяч на полу — инерция мяча сопротивляется толчку. Инерция массы, ее гравитационная природа, общие законы физики, относящиеся к этому вопросу, до сих пор оставались загадкой. Согласно Хейшу, Казимирова сила «ничто» может лежать в основе нашего восприятия силы. Другими словами, инерция возникает из-за того, что невидимый фон вселенной противится быстрым изменениям. В теории Хейша, масса и движение неразрывно связаны друг с другом.

С психологической точки зрения, теория Казимира выглядит как специальный случай размышления о чём-либо, и маргинализации других вещей. Маргинализация одной энергии (или частоты) в пользу другой дает нам ощущение гравитации, давления или силы. Если мы способны двигаться с разными силами и векторами, то чувствуем себя несомыми, и не ощущаем силу, как таковую. Маргинализация создает давление и силу. Маргинализация и давление взаимосвязаны. Поскольку маргинализировать естественно, естественно иметь силы, и ощущение «я» и «не-я». Результат — то, что мы называем общепринятой реальностью — основывается на разделении здесь и там, настоящего и прошлого , и т. д. Сила Казимира — это метафора едва уловимых толчков и порывов, притяжений и отталкиваний, которые мы осознаем. Возможно эта сила представляет собой один из аспектов принципа осознания — дуалистической, релятивистской тенденции осознания. Сама наша природа, природа вселенной, выбирает одни «вибрации» или чувства, и не впускает другие.