Читать книгу "Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер"

Реальные явления могут вести себя подобно шрёдингеровским котам

Как уже отмечалось, с проблемой кота Шрёдингера нельзя столкнуться в жизни. Однако многие частицы и состояния ведут себя подобно тому, что происходит при открывании ящиков с котами Шрёдингера. Частицы, такие как фотоны (частицы света), электроны, атомы и молекулы, обладают «смешанными состояниями», которые при наблюдении превращаются в «чистые состояния», аналогично тому, как это было описано для случая с котами Шрёдингера. Сущности, лежащие в основе привычных нам веществ, процессов и явлений, на фундаментальном уровне ведут себя столь же контринтуитивно, как шрёдингеровские коты. Однако проблема заключается не в поведении электронов и атомов, а скорее в нашем интуитивном представлении о том, как вещи должны себя вести. Наша интуиция основана на повседневном опыте. Мы получаем информацию посредством чувств, позволяющих наблюдать лишь те явления, в которых поведение материи подчиняется законам классической механики. Чтобы принять кванотовомеханический мир, который окружает нас повсюду, но который мы не можем понять интуитивно на основе наших сенсорных восприятий, необходимо выработать новое понимание природы и новую интуицию.

2. Размер абсолютен

Фундаментальная природа размера имеет решающее значение для понимания различий между теми аспектами повседневной жизни, которые согласуются с нашим интуитивным восприятием природы, и миром квантовых явлений, которые тоже окружают нас. Мы хорошо чувствуем, как движутся бейсбольные мячи, но, как правило, склонны недооценивать степень своего незнания относительно того, что придаёт вещам различный цвет и почему нагревательный элемент электрокамина становится горячим и от него исходит красное свечение. Движение бейсбольных мячей можно описать, используя законы классической механики, но цвет и электрический нагрев — квантовые явления. Разница между классическими и квантовыми явлениями непосредственно связана с определением размера.

Корректным представлением о размере является кванотовомеханическое, и оно сильно отличается от привычного нам. Зато наше обыденное представление о размере играет центральную роль в классической механике. Неправильная трактовка понятия размера и все последствия этой ошибки ответственны, в конечном счёте, за неспособность классической механики правильно описывать и объяснять поведение фундаментальных составляющих материи. Квантовомеханическое описание материи лежит в основе технологий в столь разных областях, как микроэлектроника и создание фармацевтических препаратов.

Размер в повседневной жизни

В классической механике размер относителен. В квантовой механике размер абсолютен. В чём состоит разница между относительным и абсолютным размером и почему она так важна?

В классической механике и в повседневной жизни мы определяем, велик предмет или мал, сравнивая его с каким-то другим предметом. На рис. 2.1 изображены два камня. Взглянув на них, мы скажем, что левый камень больше правого. Однако поскольку их не с чем больше сравнить, мы не можем понять, большие это валуны или мелкие камешки. На рис. 2.2 снова изображён левый камень, однако на этот раз размер камня очевиден, поскольку его можно сопоставить с размером человеческой руки. Зная, какова характерная величина руки, мы получаем ясное представление о размере камня. Как только у нас появился объект для сравнения, мы получили возможность определить, что этот камень небольшой, хотя и не совсем мелкий. Если я стану описывать этот камень по телефону, то скажу, что он немного больше кисти руки, и этого достаточно, чтобы мой собеседник понял, насколько он велик. Если же никакого объекта известной величины для сравнения нет, то нет и возможности определить размеры.

Рис. 2.1. Два камня

Из рис. 2.1 видно, до какой степени мы полагаемся на сравнение предметов друг с другом при определении их размеров. Два камня на рис. 2.1 изображены на белом фоне, и их не с чем сопоставить. Их близость заставляет нас немедленно сравнить их и заключить, что левый камень больше правого. На рис. 2.3 камень, который на рис. 2.1 расположен справа, изображён в своём естественном окружении. Теперь мы видим, что на самом деле это очень большой камень. Рука на камне позволяет однозначно судить о его размерах. Как и рука, держащая камень на рис. 2.2, рука, лежащая на камне, задаёт нам масштаб, позволяющий выполнить относительное определение размеров. Мы узнаём, насколько велик предмет, сравнивая его с чем-нибудь другим.

Рис. 2.2. Камень, изображённый на рис. 2.1 слева, в руке человека

Рис. 2.3. Камень, изображённый на рис. 2.1 справа, в окружении, позволяющем судить о его размерах

Метод наблюдения имеет значение

Почему важно, как определяется размер — относительно или абсолютно? Дело в том, что для наблюдения объекта с ним надо взаимодействовать. Это справедливо как в случае классической, так и в случае квантовой механики.

Рисунок 2.4 иллюстрирует процесс наблюдения за розой. В абсолютно тёмной комнате розу увидеть нельзя. Однако на рисунке на розу падает свет, испускаемый лампочкой. Часть света поглощается, а часть отражается. (Какие цвета поглощаются, а какие отражаются, придавая листьям зелёную окраску, а лепесткам розовую, — это вопрос из области квантовой механики, который мы обсудим в главе 8.) Часть света, испытавшего отражение, воспринимается глазом и обрабатывается мозгом — это и есть процесс наблюдения за розой. Наблюдатель взаимодействует с розой посредством света, который от неё отражается.

Рис. 2.4. Лампочка освещает розу. Свет, отражаясь от розы, попадает в глаз, позволяя нам видеть розу

Поняв, что наблюдение за объектом предполагает взаимодействие с ним, мы готовы определить большое и малое. Определения того, что является большим, а что — малым, одинаковы в классической и квантовой механиках. Если вызванное наблюдением (что является другим названием для измерения) возмущение объекта пренебрежимо мало, то объект большой. Если этим возмущением пренебрегать нельзя, то объект маленький. В классической механике делается следующее допущение.