Книга недели: о квантовой механике простым языком

Сто лет недосказанности: квантовая механика для всех в 25 эссе

Алексей Семихатов

«Согласно квантовым законам и только лишь благодаря квантовым законам существуют атомы, из которых состоим и мы сами, и почти все на планете Земля; благодаря квантовым законам горит Солнце; квантовые процессы определяют взаимодействие света и вещества; весь наш мир собран из квантовых объектов. Но фундаментальная квантовая природа в глубине мира остается в основном незаметной из-за мельтешения огромного числа мельчайших участников. По отдельности они ведут себя квантово и взаимодействуют друг с другом тоже по квантовым правилам, но все вместе образуют привычный нам наблюдаемый и почти ничем не квантовый мир. Будучи его обитателем, я не проваливаюсь сквозь пол, вижу свет, греюсь в лучах Солнца и вообще являюсь продуктом и воплощением сложной химии, не особенно задумываясь, что неквантовые правила (законы классической физики) не в состоянии ничего из этого обеспечить! Парадоксальным образом привычные свойства окружающего мира основаны на чуждых ему квантовых явлениях».

За предыдущую книгу «Все, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной. От космических орбит до квантовых полей» Семихатов получил Национальную премию «Книга года – 2023» Обложка книги: ООО «Альпина Паблишер»

«Но в квантовом мире наблюдение за системой — это всегда вмешательство в систему (с „квантовым футболом“ в этом смысле возникли бы большие проблемы). В качестве иллюстрации представьте себе, что вы желаете на ощупь убедиться в наличии каких-то неровностей на очень деликатной поверхности; сама эта процедура может изменить подробности — те самые, которые и были предметом интереса. А в отношении квантовых явлений посмотреть тоже означает „пощупать“ — в том числе и светом. Любое наблюдение или измерение сопровождается там вмешательством. Слово „измерение“ тоже не самое удачное — по выражению Белла, худшее в списке плохих слов из хороших книг. По историческим причинам тем не менее все его в основном и используют, и я тоже буду так делать, не каждый раз прибавляя, что измерение требует взаимодействия с системой, а потому представляет собой вмешательство в нее».

«Квантовая механика не похожа на другие физические теории. Она поразительно успешна на практике, а ее логическая структура приводит к интригующим проблемам философского порядка. Ее вычислительная схема основана на строгих формальных предписаниях, но знаменательным образом обходит стороной вопрос о том, что же физически происходит в пространстве-времени. И в соответствии со своей собственной логикой квантовая механика ставит перед нами вопросы об устройстве реальности, но не затрудняет себя однозначными ответами».

Подпись: Алексей Семихатов — доктор физико-математических наук, завлабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института им. Лебедева РАН Обложка книги: ООО «Альпина Паблишер»

«Время от времени — и не так уж редко — нам случается переживать несколько различных эмоций сразу. Испытывая комбинации эмоций типа „грустно и легко одновременно“, мы находимся во власти обеих, но и каждая не теряет своей индивидуальности. В привычном физическом мире, в отличие от психического, индивидуальности вещей не смешиваются. Камни, стулья и тигры существуют сами по себе, каждый является чем-то одним. Электрон, однако, способен одновременно „переживать“ состояние со спином вверх и состояние со спином вниз, а равным образом — свое нахождение в множестве точек пространства, притом что находиться в любой конкретной ему со всей возможной строгостью запрещено. Сосуществование различных возможностей описывается в рамках специальной математической схемы — ключевого элемента всей квантовой механики».

«Время, чем бы оно ни было, вызывает желание узнавать, что будет и что было. Прошлое нас тоже интересует, но будущее, как правило, волнует больше. Классическая механика — инструмент в первую очередь для предсказания движения: если известны все действующие факторы, теоретически можно точно сказать, что будет происходить в последующие моменты времени. Для сколько-нибудь сложных систем, правда, и уравнения решить нереально, и все факторы учесть невозможно: возникают проблемы точности, и предсказательная сила не всегда оказывается очень впечатляющей. Но это не отменяет того факта, что развитие событий во времени управляется имеющимися воздействиями (силами).

Происходящее вокруг нас почти всегда сопровождается движением. Планеты, частички пыли, воздух и вода, кровь в сосудах и огромное множество разнообразного другого участвуют в движении того или иного вида. Полезное попутное наблюдение состоит в том, что эти изменения связаны с превращением энергии из одних форм в другие».

Алексей Семихатов. «Сто лет недосказанности: квантовая механика для всех в 25 эссе». М.: «Альпина нон-фикшн», 2024. — 376 c.