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
В небе над Техасом сфотографировали «медузу» из красных молний
В небе над Техасом сфотографировали «медузу» из красных молний
Это редкое явление называется спрайт.
«Вояджеры» сделали открытие за пределами Солнечной системы
«Вояджеры» сделали открытие за пределами Солнечной системы
Оба аппарата подверглись воздействию ударной волны.
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
Удои не повысятся, но тайны Вселенной приоткроются. Реактор ПИК открывает новые горизонты физики.