Самое смешное, но фантастика здесь только начинается. Проходя по всем возможным траекториям, частицы начинают грубо нарушать базовые физические законы. Они перемещаются быстрее света, меняют массу, возникают ниоткуда и пропадают в никуда. Происходят «невозможные» в нашем понимании события. Как это объяснить?
На самом деле ответ прост и парадоксален одновременно. Аномальное поведение частиц это не невозможные, а просто крайне маловероятные события. Но, маловероятные для нашего классического макромира. А в квантовом мире они случаются постоянно, поэтому их необходимо учитывать при любых расчётах.
Вероятность глубоко встроена в саму структуру реальности. Очень важно зафиксировать этот вывод, иначе невозможно понять самую суть квантовой физики, которая кардинально отличается от классической. Осознать квантовый мир возможно лишь отказавшись от «очевидных» законов, действие которых каждый из нас ежедневно наблюдает в окружающем макромире.
Приведу такой пример. В классической науке, имея качественную аппаратуру, вы очень точно можете измерить положение трёх планет в космическом пространстве. Более того, опираясь на дополнительные данные, вы можете с помощью мощного компьютера рассчитать местоположение каждой из планет на её орбите в какой угодно момент времени, как в прошлом, так и в будущем. Например, совсем не сложно определить космические координаты Земли, Марса или Венеры на тысячу лет вперёд и назад. И это будут окончательные, неизменные результаты. Планеты никогда не будут произвольно перескакивать с одной орбиты на другую, ведя себя непредсказуемым образом. Даже если произойдёт какой-то глобальный катаклизм, например, погибнет Солнце, всё равно можно предсказать как изменятся орбиты планет, какие из них погибнут в огне звёздного коллапса, а какие будут выброшены в межзвёздное пространство. Весь вопрос лишь в мощности вычислительного оборудования для столь сложных расчётов.
Квантовая физика совсем другая. Если вы проведёте эксперименты с участием трёх частиц, вы никогда не получите одинаковые результаты измерения. На первый взгляд, они вообще будут казаться случайными. Но многократно повторив опыт, вы обнаружите важные закономерности. Каждая из трёх частиц, а также их группы будут с определённой, просчитываемой, вероятностью оказываться в конкретном месте.
Современные учёные умеют производить такие вычисления. Вероятностные предсказания квантовой механики всегда соответствуют экспериментальным данным. Поэтому никто из физиков не сомневается в правильности её законов. Некоторые части квантовой теории проверены с точностью до миллиардных долей. Её базовые принципы не просто экспериментально подтверждены, а лежат в основе работы огромного количества реальных приборов и устройств.
Люди привыкли к тому, что все вещи всегда находятся в определённом состоянии. Основной постулат квантовой механики состоит в том, что даже если произвести очень точные измерения, то, в самом лучшем случае, можно лишь предсказать вероятность того или иного события.
Вероятность главенствует в мире.
Максимум, что можно предсказать, это вероятность того, что та или иная составная часть природы будет найдена здесь или там. Квантовая механика описывает мир, в котором всё находится в неопределённости.
Для упрощения восприятия темы я приводил пример с тремя планетами. Однако, если быть точным, то классическая физика утверждает, что когда мы знаем информацию о текущем состоянии каждой частицы в космосе, то используя физические законы, можно рассчитать, как Вселенная выглядела бесконечно далеко в прошлом и какой она будет в бесконечно далёком будущем.
Квантовая механика опровергает этот вывод. Невозможно узнать точное положение даже одной частицы, не говоря уж о космосе в целом. Максимально, что можно сделать предсказать вероятность того или иного события.
Ещё недавно нам казалось, что все объекты Вселенной, приведённые в движение в далёком прошлом, с фатальной неизбежностью двигаются в сторону строго определённого будущего. Квантовая механика разрушила эти представления.
Конечно, во Вселенной работают строгие фундаментальные законы. Но они устанавливают лишь вероятность того или иного сценария будущего и не способны определить, какое именно будущее наступит в действительности.
Вселенная глобально не стационарна. Она основана на вероятностном раскладе. И здесь очень важно не запутаться в терминах.
Нельзя сравнивать вероятность в квантовом мире с той вероятностью, с которой мы встречаемся в обычной жизни. Например, с игрой в рулетку в казино.
Игрок уверен, что существует некая совершенно точная, но не 100% ная вероятность выпадения шарика на то или иное число. Но это совсем не так. Достаточно иметь необходимые вычислительные мощности и полные знания о физических параметрах участников процесса игры и окружающего пространства, чтобы абсолютно точно, со 100% ной вероятностью, установить, в ячейке с каким числом остановится шарик после броска крупье.
Разумеется, человек за игровым столом не в состоянии сопоставить все эти значения и произвести необходимые расчёты. Слишком уж много данных необходимо учесть, поэтому такие вычисления не способен сделать даже самый мощный компьютер. Пока что. Невозможность подобного просто дефицит транзисторов, который никоим образом не связан с фундаментальными свойствами природы.
В противоположность этому, в квантовом мире вероятность буквально встроена в самые основы Мироздания. Поэтому, известное утверждение Эйнштейна, что «Бог не играет в кости», можно интерпретировать в том смысле, что никакой игры вселенского масштаба нет по той простой причине, что само фундаментальное описание материи имеет вероятностный характер.
Законы квантовой механики действуют везде, в том числе в человеческом теле. И это не просто вопрос масштаба. Ещё недавно мы были убеждены в том, что всё в мире происходит определённым чередом. Однако, выяснилось, что все события во Вселенной «подвешены» в неопределённом состоянии и могут происходить частично тем и частично иным образом. Квантовые эффекты сложно увидеть на больших масштабах. Но дело не в размере, а в сложности понимания принципов взаимодействия квантовых систем, которые, с нашей точки зрения, противоречат здравому смыслу.
Возникает естественный вопрос. Если всё в мире имеет вероятностный характер, тогда почему классическая физика так точно предсказывает движение больших тел?
Ответ заключается в том, что макрообъект состоит из огромного количества частиц. Каждая из них в отдельности может вести себя «неадекватно», может даже нарушать законы классической физики. Но, крайне маловероятно, что миллиарды миллиардов частиц одновременно станут «нарушителями».
Теоретически возможно отклонение движения макрообъекта от предсказываемого законами Ньютона. В принципе, в следующее мгновение планета Земля может внезапно оказаться в Туманности Андромеды. И это абсолютно не противоречит ни одному закону физики. Однако, вероятность этого события настолько мала, что всего времени жизни Вселенной не хватит, чтобы хотя бы один раз увидеть подобное чудо в реальности.
В микромире ситуация иная. Вероятно, что какая-то одна частица, ещё сегодня утром бывшая частью вашей утренней чашки кофе, сейчас входит в состав чашки вечернего коктейля инопланетянина в другой галактике. Не будем забывать, что в чашке кофе содержится больше атомов, чем стаканов воды во всех океанах на Земле. При такой математике неудивительно, что какой-то микроскопический «экстремал» повёл себя не по правилам и моментально «улетел» из Млечного Пути.
Чем меньше объект, тем больше «размазываются» его вероятностные варианты. Слишком много местоположений в макромире, где отдельная маленькая частица может находиться с достаточной вероятностью. Именно поэтому в микромире квантовая природа реальности проявляется во всей полноте.
Квантовую механику сложно понять, потому что она противоречит нашей интуиции. Мне сложно описать её базовые принципы в знакомых вам терминах и фразах, так как смысл многих понятий можно передать лишь приблизительно. Поэтому постоянно приходится прибегать к аналогиям. Конечно, это очень грубые приближения. Но иного выхода нет, поскольку неизвестно, с какой стороны ждать подвоха.
Квантовая механика привнесла в науку элемент абсолютной непредсказуемости. Для одних расчётов удобно рассматривать частицы, как волны. Для других волны, как частицы. Где-то применимо одно описание, где-то совершенно другое. Почему Природа опирается на столь необычный математический аппарат абсолютно непонятно.
Ещё один завораживающий квантовый эффект запутанность частиц.
Физики установили, что измерение одной квантовый системы оказывает мгновенное воздействие на сцепленную с ней. Причём, эта связь сохраняется между частицами, даже если они расположены на разных концах Вселенной.