Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье

там можно быть «немножко беременной». Мало того, любая женщина в квантовом мире могла бы находиться одновременно в любом из возможных состояний: быть и беременной, и не беременной; быть и девушкой, и женщиной, и старухой. Как и мужчина может быть одновременно миллиардером и нищим, старым и молодым, полным и худым. В этом и состоит чудо квантового мира.

А что нам запрещает применять понятие квантовой суперпозиции для макромира? Каждый макрообъект состоит из частиц, которые точно подчиняются законам квантовой физики. Значит, макрообъект тоже может быть описан волновой функцией. Почему же мы не наблюдаем суперпозицию в обыденной жизни? А потому что происходят процессы, разрушающие эту суперпозицию, и система оказывается в одном из возможных состояний. Подробнее об этом мы поговорим в следующих главах.

#физикишутят

Что говорят разные психотерапевты, если спросить у них: «Как пройти на вокзал?»

Гештальттерапевт: «Разреши себе хотеть попасть на вокзал».

Семейный терапевт: «Для кого из семьи особенно важно, чтобы вы шли на вокзал?»

Логотерапевт: «Какой смысл в том, чтобы идти на вокзал?»

Реинкарнационный терапевт: «Вернитесь во времена до своего рождения. Что это за карма, которая вынуждает вас быть зависимым от других?»

НЛП-терапевт: «Представьте, что вы уже там. Какие шаги вы предприняли?»

Гипнотерапевт: «Закройте глаза. Ваше бессознательное знает путь к вокзалу».

Коуч: «Если разжую вам решение, это не разрешит вашу основную проблему».

А физик-ядерщик скажет: «Войдите в состояние суперпозиции с вокзалом. При коллапсе волновой функции вы окажетесь на вокзале».

Глава 5

Туннельный эффект

Предположим, катится по полю мяч. На пути его движения – холм. Для того чтобы его преодолеть, мячу необходимо иметь достаточное количество энергии (достаточно большую скорость). Мы интуитивно это понимаем. Кинетическая энергия мяча должна быть больше его потенциальной энергии на вершине холма, тогда мяч сможет перевалиться через вершину и оказаться за холмом. Если же у мяча не будет достаточного количества энергии, он не доберётся до вершины и скатится обратно.

А в микромире происходит по-другому.

Всегда есть вероятность, что мяч, у которого совсем небольшая скорость, может оказаться с другой стороны даже очень высокого холма. При этом мяч как бы возьмёт у пространства энергию взаймы и после того, как окажется с другой стороны холма, отдаст её пространству обратно. Мало того, даже мяч, который никуда не катится, может оказаться с другой стороны холма! (Правда, с ещё более маленькой вероятностью). В этом случае речь идёт уже не о реальном физическом холме, а об энергетическом барьере, который частице с недостаточной энергией надо преодолеть.

Туннельный эффект – это преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше, чем та, которая бы для этого потребовалась.

Это явление происходит, например, в алюминиевой проводке в наших домах и во многих электронных устройствах. Альфа-излучение и термоядерные реакции, которые мы рассматривали в первой части, возможны только благодаря туннельному эффекту.

Другой пример туннельного эффекта – процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звёзды, в частности Солнце, благодаря которому мы живём. При термоядерном синтезе сталкиваются два лёгких ядра, в результате чего образуется новое ядро и излучается один нейтрон. Согласно классической физике, между двумя частицами с одинаковым зарядом действует мощная сила взаимного отталкивания. Это и есть потенциальный барьер, и ядра просто не могли бы сблизиться на достаточное расстояние, чтобы синтезировать новое ядро. Этот барьер преодолевается благодаря высокой скорости таких ядер и туннельному эффекту.

Благодаря туннельному эффекту (с крошечной вероятностью) при ударе кулаком по столу молекулы в руке и столе пройдут мимо друг друга, и ваша рука пройдёт сквозь стол.

Впервые о туннельном эффекте я услышала от дедушки, когда мне было лет двенадцать. Я была поражена.

– То есть, – спросила я, – какой‑то электрон моего тела вполне может телепортироваться в Аргентину, например?

– Может, – ответил дедушка.

– И моё тело целиком, прямо вместе с креслом, тоже может телепортироваться?

– Вероятность этого уж очень мала, но теоретически может.

– И на Луну тоже?!

– И на Луну тоже, – улыбаясь, ответил дедушка.

#физикишутят

Задача об арестанте

Когда я была студенткой физфака МГУ, нам давали задачу об арестанте. Мы высчитывали, какова вероятность того, что арестант пройдёт сквозь стену, т. е. окажется снаружи тюрьмы.

С точки зрения здравого смысла это невозможно. Ведь тогда получается, что человек может проходить сквозь стены! Но зная о туннельном эффекте – возможно. Ведь человек состоит из атомов, каждый из которых может в соответствии с туннельным эффектом «просочиться» сквозь стену.

Расчёты показывают, что для реализации этой идеи требуются многие миллиарды лет – больше времени, чем вообще просуществует наша Вселенная.

С точки зрения одного арестанта, это, конечно, долгий срок. А если представить, что этих арестантов миллиарды? Из 8 миллиардов человек, живущих сегодня на нашей планете, хотя бы один может пройти сквозь стену гораздо быстрее, с большой вероятностью – даже в течение года. Тогда вопрос с вероятностью таких событий приобретает уже совсем другой смысл.

Глава 6

Квантовая запутанность

Допустим, я возьму пару перчаток, не глядя положу по одной перчатке в разные коробки и отправлю их в далёкие страны. Первый адресат заглянет в коробку, увидит, какую именно – правую или левую – перчатку