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

 Задания

1. Как вы думаете, почему все предметы в мире – это практически пустое пространство, а мы этого не ощущаем?

2. Порассуждайте, как любое взаимодействие можно разложить на четыре фундаментальных взаимодействия. Найдите свои примеры.

3. Найдите или придумайте смешные примеры неграмотного использования понятия «квантовый скачок». Поделитесь в соцсетях с хештегом #арьекнига.

4. Приведите примеры понятий, которые являются дискретными, а также примеры недискретных понятий.

Часть 2

Двухщелевой эксперимент и корпускулярно-волновой дуализм

Вы узнаете, что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм» и какой опыт считается самым главным в истории физики; что такое таинственный эффект наблюдателя и существует ли вообще объективная реальность. А ещё потренируетесь создавать собственную реальность.

Глава 1

Свет – это частицы или волны?

Я думаю, что могу смело утверждать: квантовую механику не понимает никто.

Физики, математики, философы всегда любили рассуждать о природе света. Аристотель считал, что свет – это волна. Демокрит, живший в те же годы, верил: свет – это частицы. Ньютон писал, что свет состоит из корпускул, а другой великий физик, Христиан Гюйгенс, считал свет волной.

И по сути, все они были правы. Свет иногда ведёт себя как волна, а иногда – как частицы. Частицы света – это фотоны. И это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

И самая главная тайна квантовой физики заключается в том, что до сих пор точно неизвестно, когда же волна превращается в частицу.

#физикишутят

– Что вы думайте о корпускулярно-волновой теории света?

– Я не Света, я – Наташа.

Глава 2

Дифракция и интерференция

Вспомним такие понятия, как «дифракция» и «интерференция», которые понадобятся нам для понимания двухщелевого эксперимента.

Дифракция волны (в частности, света) – это отклонение волны от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

Например, это явление можно увидеть на поверхности воды.

На пути распространения волн поместим экран с узкой щелью. За экраном будет расходиться круговая волна так, будто в щели находится источник волн.

Интерференция – это взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн [3] при их наложении друг на друга.

Например, если кинуть два камушка в воду, от них начнут расходиться круги. В какой‑то момент круги начнут соединяться друг с другом. И вы увидите, что там, где они соединяются, высота волн увеличивается, а в других местах гасится. Вот это и называется явлением интерференции.

Глава 3

Двухщелевой эксперимент

Вся квантовая механика может быть выведена путём тщательного осмысления следствия одного этого эксперимента.

Томас Юнг провёл свой знаменитый двухщелевой эксперимент ещё в далёком 1801 году. В чём суть опыта? Есть источник света, есть экран. Между ними помещают непрозрачную пластинку, в которой сделана длинная прорезь. На регистрирующем экране мы получаем тонкую полоску света. Сделаем ещё одну, параллельную прорезь рядом с первой. Мы ожидаем увидеть две полосы на экране, считая, что фотоны (кванты света) – это частицы. Но удивительно: полос не две. На нашем экране появляется узор из чередующихся тёмных и светлых полос (интерференционная картина). Точка, в которой пересекаются вершины волн, дающие наивысшую интенсивность, – это яркие линии.

Этот эксперимент стал самым часто повторяемым за всю историю физики. Он показывает, что свет – это не поток частиц, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.

Однако это было только началом. Около 100 лет назад Эйнштейн с другими физиками исследовал свойства света, и расчёты показывали, что свет всё‑таки состоит из частиц (фотонов). Но опыт Юнга показывал, что свет – это волна. Тогда ввели такое понятие, как «корпускулярно-волновой дуализм». То есть иногда свет ведёт себя как волна, а иногда – как частица (корпускула). Это кажется странным, но дальше всё становится ещё страннее.

#физикишутят

Узнав о корпускулярно-волновом дуализме, энергетическая компания стала присылать сразу две платёжки: за свет в виде частицы и за свет в виде волны.

Физики смогли провести опыт Юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. Учёные всегда сомневались: свет – это частицы или волна? А вот по поводу электронов сомнений не было [4].

Учёные стали стрелять электронами по экрану с двумя прорезями. Удивительно, но получился интерференционный узор! Выпустили электроны – маленькие частицы материи, но получили рисунок, как в опыте с волной света. Как частицы материи создают интерференционный узор, словно волны?

Физики подумали: возможно, электроны, как маленькие шарики, отталкиваются друг от