Статьи
Интервью

«Квантовая физика дает надежду на то, что судьбы нет»

квантовая физика судьба

Принцип неопределенности, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 году, является одним из фундаментальных принципов квантовой механики. Но многие ли его понимают? А между тем из этого принципа вытекает невозможность предсказать будущее, а заодно отрицание судьбы и детерминизма.

Мы попросили объяснить образно и максимально простым языком Дмитрия Побединского — физика, блогера, популяризатора науки, автора канала «Физика Побединского», лауреата премии «Просветитель.Digital».

— Дмитрий, давайте начнем с контекста. Зачем понадобилось вводить такое понятие, как принцип неопределенности?

— Это связано с квантовой природой нашего мира. Наблюдая за миром и пытаясь его объяснить, ученые пришли к выводу о том, что величины, которые нам казались раньше непрерывными, на самом деле состоят из неких «кирпичиков» — неделимых элементов. И если говорить о какой-то материи и веществах, то привычно думать, что мы все состоим из атомов и молекул, а атом состоит из субатомных частиц. Однако в теории и экспериментах обнаружилось, что не только материя состоит из элементарных частиц, а еще и, например, такая величина как энергия. Если организовать процесс, где выделяется и передается энергия: встать возле обогревателя, кого-то обнять и согревать, поставить чайник кипятиться — оказывается, что эта энергия выделяется не непрерывной волной, а определенными порциями. Эти порции физики назвали квантами.

В чем необычность передачи энергии квантами — порциями? Всегда казалось, что это непрерывная величина и она может иметь любое значение. Но это не так. Представьте, что вы хотите кому-то передать текст. Как вы можете это сделать? Напечатать целиком на странице. Или разрезать страницу построчно и по частям передать. Или разрезать на слова, а ваш адресат сам сложит из слов текст. Вы можете разделить текст даже на буквы и символы, но вот уже мельче разрезать у вас не получится. Допустим, на другой стороне робот, понимающий текст по буквам, но, если вы разрежете буквы, он уже не соберет текст и не поймет, что вы имели в виду. Получается, минимальная порция текста — это одна буква, один символ. То же самое в физике: есть минимальная порция, которую разделить уже не получится — на фундаментальном уровне. Именно из этой особенности квантовой физики и следует наш загадочный принцип неопределенности.

— Давайте к нему как раз и перейдем. Как объяснить простыми словами, что это такое — принцип неопределенности Гейзенберга? Может быть, поможет аналогия?

— Можно вообразить сам эксперимент. Представьте, что вы оружейник и производите пушки. У вас крайне необычный заказ: пушки должны стрелять электронами, то есть очень маленькими элементарными частицами. Такие пушки можно встретить в электронно-лучевых трубках старых телевизоров и осциллографов. Вы собрали эту вакуумную пушку и хотите протестировать: вам нужно понять, с какой скоростью и как далеко улетает электрон из этой пушки за 1 секунду. Вы ставите эксперимент, чтобы понять, где оказался электрон и с какой скоростью он летит. Допустим, получилось, что он пролетел 500 м, а его скорость составила 500 м/с. Вы предоставляете результаты: говорите, с точностью 20% — координата электрона 500 м. Вам говорят: «Какая-то слабенькая точность, получше померьте, пожалуйста!» Вы ставите еще один эксперимент, и еще один, и еще, стараясь повысить точность измерений, и в итоге обнаруживаете, что это невозможно. Стоит увеличить точность измерения одной величины, как ухудшается точность измерения другой величины. Если вы, например, измерите координату с точностью 1%, то погрешность скорости будет, условно говоря, 20%. Если попробуете более точно определить скорость, то возрастет погрешность измерения координаты. То есть невозможно уменьшить одновременно погрешность измерения обеих величин.

Это накладывает ограничение на точность одновременного измерения определенных связанных величин. И таких величин несколько в физике: импульс (произведение массы на скорость) и координата (местоположение частицы), энергия и время и др. Когда вы попытаетесь измерить одну из связанных величин, другая от вас ускачет, упрыгает и будет очень размытой, то есть выдаст большую погрешность. Это и есть принцип неопределенности: точно определив одно значение, у вас появляется неопределенность в другом, и наоборот.

— Этот закон действует только в микромире?

— Принцип неопределенности Гейзенберга выражается соотношением неопределенности по формуле. Погрешность измерения координаты, умноженная на погрешность измерения импульса, всегда должна быть больше или равна постоянной Планка. Это фундаментальная постоянная — очень маленькая величина. Она проявляет себя только в микроскопических масштабах.

Этот принцип можно перевести даже в область философии: мир непостигаем. Даже если вы будете повышать точность ваших приборов, рано или поздно вы все равно упретесь в то, что сама природа не позволяет вам что-то очень точно определить.

Принцип неопределенности приводит к прикольному выводу: из-за него оказывается невозможно предсказать будущее. Есть такой философский принцип — принцип космологического детерминизма. Мы все состоим из частиц, молекул, атомов, которые как-то движутся по каким-то траекториям с какими-то скоростями. Что если измерить расположение всех частиц во Вселенной, их скорости и закинуть эту информацию в суперкомпьютер или скормить супермощному существу, чтобы это существо или компьютер просчитал движение этих частиц и определил, где они окажутся через секунду, минуту, час, год? Получается, что эта машина или существо — его еще называют «демон Лапласа» — сможет предсказать будущее и ответить на вопрос: что с нами произойдет? Классическая физика считает, что это возможно: все предопределено, судьбы не существует, все можно рассчитать. А принцип неопределенности как раз всю эту идеальную конструкцию рушит. Потому что он утверждает, что невозможно с бесконечной точностью измерить одновременно и координаты частиц, и их импульс (скорость). Эта погрешность при вычислении будет расти как снежный ком, и точно мы никогда вычислить не сможем. То есть природа не детерминирована в этом плане и случайности могут привести к совершенно неожиданным последствиям через какое-то время. Таким образом, судьба не предопределена. Квантовая физика оставляет нам надежду на то, что судьбы нет и хоть что-то мы можем изменить.

— Как интересно! Получается, принцип неопределенности Гейзенберга влияет на представления людей о мироустройстве?

— Да. Это касается и представлений о микрочастицах. Как мы обычно представляем себе электрон? Как шарик с отрицательным зарядом, который крутится вокруг положительно заряженного ядра, похожего на ежевику из протонов и нейтронов. На самом деле частицы вообще не так выглядят, это в корне неверное представление. Как показали эксперименты, частицы обладают волновыми свойствами. Их можно представить как маленькие волночки, которые размазаны по пространству.

Волновая природа частиц тесно связана с принципом неопределенности. Волна не имеет какого-то конкретного положения в пространстве. Она имеет протяженность. То же самое с частицами: они, как и волны, имеют протяженность, и из-за этого не получается точно определить их координату или импульс. Они намного сложнее, чем бильярдные шары. Сама их природа приводит к тому, что мир не детерминирован, и к другим интересным эффектам.

Эти эффекты используются пока очень слабо. Но уже сейчас есть квантовые компьютеры, квантовая криптография, генератор случайных чисел — этот тонкий эффект начинали использовать в последнее десятилетие, хотя обнаружили сто лет назад.

— Сто лет назад Альберту Эйнштейну не понравился принцип неопределенности. Он писал гневные письма Нильсу Бору, руководителю Гейзенберга, с комментарием: «Бог не играет в кости».

— Общая парадигма детерминизма гласит: все определено, все объяснимо. Если мы чего-то не видим в один микроскоп, значит, нужно собрать микроскоп побольше и все будет видно. Но, оказывается, мир не так устроен. В какой-то момент мы наталкиваемся на неопределенность и дальше продвинуться не можем. Можно возразить на это: просто есть скрытые параметры, которых мы не видим по каким-то причинам. Например, когда мы подбрасываем монетку, выпадение орла»или решки выглядит абсолютно случайно. Но на самом-то деле на это влияет куча параметров: сила броска, сопротивление воздуха, масса монеты и др. Эти параметры скрыты для нас. Но если их учесть, то можно предсказать, что выпадет: орел или решка.

То же самое можно предположить в отношении частиц: возможно, есть скрытые параметры, и, если их измерить, мы сможем преодолеть эту неопределенность. Собственно, об этом и говорил Эйнштейн: мы просто еще не до конца разобрались с этими параметрами. Но сразу скажу, их до сих пор не нашли, эти скрытые параметры. Понять, существуют они или нет, можно с помощью статистических экспериментов. И такие эксперименты были неоднократно проведены начиная с 1970-х годов, они основаны на вычислениях неравенств Белла. Однако во всех испытаниях ученые пришли к выводу, что никаких скрытых параметров не существует. Статистически можно утверждать, что их нет. А значит, можно утверждать, что мир абсолютно точно неопределен и детерминизма не существует.

Текст: Евгения Шмелева

Читайте также
Теория струн, или Теория всего
Теория струн, или Теория всего
Если вы думаете, что речь идет о музыке, то спрячьте гитару: теория струн — неразгаданная часть физики XXI, а то и XX века!
Комикс: что находится в центре черной дыры?
Комикс: что находится в центре черной дыры?
Что находится в центре черной дыры? На этот счет есть несколько интересных теорий
Античный драматург Софокл — прадедушка фотографии и кино?
Античный драматург Софокл — прадедушка фотографии и кино?
Почему в Античности не додумались создать фотоаппарат?