В начале XX века в Германии жил необычный конь по имени Ганс. Его считали гением: он умел считать, различать цвета, определять достоинство монет и даже отвечать на устные и письменные вопросы, отстукивая копытом нужное число раз. Феномен оказался настолько удивительным, что привлек внимание ученых, которые организовали специальное исследование.

Но вот в чем загадка: когда Ганс отвечал на вопросы, его хозяин не вмешивался, а сам конь справлялся с заданиями даже с незнакомыми людьми. Причем в 90% случаев ответы были верными! Мошенничество не обнаружили, но как же тогда объяснить этот феномен?

Выяснилось, что Ганс на самом деле не знал математики и не обладал сверхинтеллектом. Он просто невероятно тонко улавливал малейшие изменения в выражении лиц и позах людей. Когда число стуков копытом достигало правильного ответа, наблюдатели, сами того не осознавая, чуть-чуть меняли свою мимику и жесты, и Ганс это чувствовал. Так был открыт эффект умного Ганса — психологический феномен, доказывающий, что люди (даже когда пытаются не вмешиваться) неосознанно подсказывают правильные ответы.

Но что, если этот эффект не ограничивается только психологией? Что, если наблюдатель меняет не только поведение живых существ, но и саму реальность? Именно к этому вопросу привела нас квантовая механика.

Как наблюдатель влияет на физику?

Издавна людей волновали вопросы: если в лесу падает дерево, но никто этого не слышит, издает ли оно звук? Или: существует ли Луна, пока мы на нее не смотрим? На первый взгляд, такие размышления кажутся чисто философскими, ведь физические процессы должны происходить независимо от нас. Однако квантовая теория внесла неожиданный поворот: оказалось, что сам факт наблюдения может менять ход событий!

Кот Шрёдингера – живой или мертвый?

Один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике – кот Шрёдингера. Представьте: в закрытой коробке сидит кот, рядом с ним — механизм с радиоактивным атомом. Если атом распадется, механизм отравит кота. Если нет — кот останется жив. Самое странное, что по законам квантовой механики, пока коробка закрыта, кот одновременно и жив, и мертв. То есть он находится в суперпозиции двух состояний.

Но как только мы откроем коробку и посмотрим на кота, одно из состояний мгновенно исчезнет, и кот окажется либо живым, либо мертвым. Значит, сам факт наблюдения как будто разрушает эту двойственность. Как это вообще возможно?

Двойная щель: частицы, которые знают, что за ними следят

Еще один странный эксперимент — двойной щелевой эксперимент. Если направить поток электронов через две узкие щели, на экране за ними возникает картина, похожая на интерференцию волн. Это значит, что каждый электрон ведет себя не как частица, а как волна, которая проходит через обе щели одновременно!

Но стоит нам поставить детектор возле одной из щелей и начать наблюдать за электронами, как интерференционная картина исчезает, и электроны начинают вести себя как обычные частицы. Хотя мы ничего не трогаем, сам факт наблюдения меняет их поведение! Получается, что элементарные частицы каким-то образом "узнают", что за ними следят и ведут себя иначе. Как такое возможно?

Как объяснить этот эффект?

Чтобы понять, что здесь происходит, нам понадобятся три ключевых понятия: волновая функция, квантовая запутанность и декогеренция.

Волновая функция и коллапс

Каждая частица описывается волновой функцией, которая указывает все возможные состояния, в которых она может находиться. Пока мы не смотрим, частица существует во всех этих состояниях сразу (то есть в суперпозиции). Но когда мы ее измеряем, суперпозиция исчезает, и частица "выбирает" одно из состояний. Этот процесс называется коллапсом волновой функции.

Квантовая запутанность

Бывает, что две частицы оказываются связаны так, что изменение одной мгновенно влияет на другую, даже если их разделяет огромное расстояние. Это называется квантовой запутанностью. Например, если две частицы запутаны, то, измеряя одну, мы мгновенно узнаем состояние другой, даже если она находится на другом конце Вселенной!

Декогеренция – конец квантовой магии

Когда квантовая система взаимодействует с окружающим миром, ее запутанные состояния разрушаются – это называется декогеренцией. Проще говоря, чем больше частиц вовлечено в процесс, тем сложнее сохранять суперпозицию. Именно поэтому в макромире мы не видим странностей квантовой механики: объекты слишком сильно взаимодействуют друг с другом, и их суперпозиция исчезает.

Многомировая интерпретация: а что, если реальности бесконечно много?

Одно из самых необычных объяснений эффекта наблюдателя предлагает многомировая интерпретация квантовой механики. Она утверждает, что при каждом квантовом событии Вселенная разделяется на несколько параллельных реальностей, в которых происходят все возможные исходы.

Когда вы подбрасываете монету, она выпадает и орлом, и решкой – просто в разных вселенных. Когда открывается коробка с котом Шрёдингера, появляются две версии реальности: в одной кот жив, в другой – мертв. Мы просто случайным образом оказываемся в одной из них, а другие продолжают существовать, но уже без нас.

Звучит как фантастика? Может быть. Но эта интерпретация объясняет, почему наблюдатель перестает видеть суперпозицию – потому что он сам становится частью одной из разветвленных реальностей.

Так кто же управляет квантовой Вселенной?

На первый взгляд, все это похоже на магию: наблюдатель изменяет реальность, частицы "узнают", что за ними следят, а коты оказываются одновременно живыми и мертвыми. Но на самом деле квантовая физика просто показывает нам, что мир устроен сложнее, чем кажется.

Нет, человек не обладает суперспособностями, чтобы управлять судьбой Вселенной, но сам процесс наблюдения – это взаимодействие с миром, которое оставляет след. И этот след может менять ход событий, особенно на квантовом уровне.

Так что, возможно, эффект умного коня Ганса и квантовая механика ближе, чем кажется. Мы, сами того не осознавая, влияем на реальность – как в мире психологии, так и в мире элементарных частиц. И кто знает, какие еще тайны скрывает Вселенная?

Квантовая физика – штука странная. Кажется, что её законы вообще не подчиняются привычной логике, и чем глубже в неё погружаешься, тем больше вопросов возникает. Например, можно ли сделать так, чтобы три поляризационных фильтра пропускали больше света, чем два? Оказывается, можно. Можно ли передавать информацию мгновенно? Нет, но частицы ведут себя так, будто умеют. И, конечно, есть знаменитый кот Шрёдингера, который одновременно и жив, и мёртв. Всё это кажется чем-то фантастическим, но на самом деле это реальные вещи, которые можно проверить экспериментально.

Представьте, что у вас есть две стеклянные пластинки, которые пропускают только свет, поляризованный в одном направлении. Если их расположить перпендикулярно друг другу, то свет через них не пройдёт. Это логично: первая пластинка пропускает свет в одном направлении, а вторая полностью его блокирует. Но если между ними поставить третью пластинку под углом в 45 градусов, то вдруг свет начинает проходить. Получается, что три пластинки задерживают меньше света, чем две. С точки зрения классической логики это звучит странно, но объяснение у этого есть. Центральная пластинка немного изменяет направление поляризации, и в результате часть света всё-таки проходит дальше. Всё становится по-настоящему загадочным, когда вместо обычного света мы пропускаем один единственный фотон. Фотон – это неделимая частица, он не может пройти частично, но почему-то всё равно проскальзывает через три фильтра. Это происходит потому, что он находится в состоянии суперпозиции, то есть сразу в нескольких возможных вариантах одновременно, а его судьба определяется случайным образом.

Квантовая физика началась с очень странной проблемы, которую учёные назвали ультрафиолетовой катастрофой. Долгое время считалось, что нагретые тела излучают свет по понятным законам. Чем выше температура, тем больше излучения в сторону синих и фиолетовых оттенков. Но когда учёные попробовали рассчитать, сколько именно энергии должно выделяться, выяснилось, что теория предсказывает бесконечное количество энергии! Если бы это было правдой, всё вокруг светилось бы ярче Солнца и давно бы испарилось. Решить эту проблему смог Макс Планк, но сделал он это довольно хитро. Сначала он просто подогнал формулу так, чтобы она совпадала с реальными измерениями. А потом понял, что эта формула означает нечто фундаментальное: энергия излучается не плавно, а порциями – квантами. Это стало началом квантовой механики.

Один из ключевых принципов квантовой физики – принцип неопределённости. Он говорит о том, что некоторые свойства частиц нельзя знать одновременно с абсолютной точностью. Например, нельзя точно определить, где именно находится частица и с какой скоростью она движется. Эйнштейну эта идея не нравилась, и он придумал способ, который вроде бы позволял обойти этот запрет. Он предложил представить себе ящик с фотонами, который можно взвешивать. Если фотон вылетает, ящик становится чуть-чуть легче, и, измерив это изменение массы, можно определить его энергию. Одновременно можно замерить и время, когда он вылетел. На первый взгляд, этот эксперимент нарушал принцип неопределённости. Но оказалось, что сам Эйнштейн забыл учесть эффект из своей же теории относительности. Дело в том, что в гравитационном поле время течёт немного по-разному в разных местах, и когда ящик двигается, его ход времени меняется, что добавляет неопределённость. В итоге принцип неопределённости никуда не исчез.

Эйнштейн не сдавался и в 1935 году вместе с коллегами придумал ещё один парадокс. Они предложили мысленный эксперимент с двумя частицами, которые родились одновременно и разлетелись в разные стороны. Если измерить импульс одной из них, то вторая мгновенно оказывается в таком состоянии, чтобы сумма их импульсов совпадала. Казалось, что частицы обмениваются информацией быстрее скорости света, что противоречит законам физики. Эйнштейн предположил, что у частиц должны быть скрытые свойства, которые заранее определяют их поведение. Но спустя несколько десятилетий были проведены эксперименты, которые показали, что никаких скрытых свойств нет, а частицы действительно ведут себя так, будто они связаны, даже если их разделяют километры. Это явление называется квантовой запутанностью.

Самый известный мысленный эксперимент в квантовой механике – это, конечно, кот Шрёдингера. Представьте коробку, в которой есть кот, радиоактивный атом и механизм, который убьёт кота, если атом распадётся. По законам квантовой механики, пока мы не открыли коробку, атом находится в суперпозиции двух состояний – он и распался, и не распался одновременно. А значит, кот одновременно и жив, и мёртв. Как только мы заглянем внутрь, суперпозиция исчезнет, и кот окажется в одном из двух вариантов. Этот парадокс показывает, что сам факт наблюдения может менять реальность. А если добавить в эксперимент ещё одного человека, который стоит за дверью и не знает, заглянули ли мы в коробку, то возникает ещё более сложный вопрос: в каком состоянии кот находится для него? Оказывается, ответ зависит от того, какую интерпретацию квантовой механики мы выберем.

Наука предлагает несколько вариантов объяснения всей этой странности. Одна из идей – многомировая интерпретация, согласно которой Вселенная просто разделяется на две копии: в одной кот жив, в другой мёртв. Мы живём в одной из этих версий и просто осознаём результат. Другая интерпретация говорит, что частицы приобретают определённое состояние только в момент взаимодействия с наблюдателем, но до этого оно не определено. Есть даже идеи, что объективной реальности вообще не существует, а наш мир – это просто статистический расчёт возможных событий.

Несмотря на все эти парадоксы, квантовая механика – это не просто философские размышления, а очень практичная наука. Она лежит в основе множества технологий: компьютеров, лазеров, навигационных систем, медицинского оборудования. Без неё современный мир был бы совершенно другим. Но чем больше мы её изучаем, тем больше вопросов она ставит перед нами. Может ли быть так, что мир устроен не по привычной логике, а по какой-то другой, непонятной нам? Возможно, мы просто пытаемся найти ответы там, где их не существует. Или, наоборот, все эти парадоксы – это не ошибки, а особенности устройства реальности. В любом случае, квантовая физика – это одна из самых захватывающих областей науки, которая продолжает удивлять и ломать представления о мире.

Привет, друзья! Сегодня мы окунёмся в мир фантастики и физики, поговорим о загадочных частицах, которые теоретически могут двигаться быстрее света. Их называют тахионами. Но что это такое? Как они работают? И что бы было, если бы их существование подтвердилось?

Что такое тахионы?

Тахионы — это гипотетические частицы, существование которых предсказано теоретической физикой. Их особенность в том, что они должны двигаться быстрее скорости света с момента своего появления. В отличие от обычных частиц, таких как электроны или протоны, тахионы никогда не смогут замедлиться до скорости света — они живут "по ту сторону" светового барьера.

Скорость света в вакууме, как известно, составляет около 300,000 км/с, и согласно специальной теории относительности Эйнштейна, для обычных частиц требуется бесконечное количество энергии, чтобы достичь этой скорости. Однако для тахионов всё наоборот: они "замедляются" при увеличении энергии и "ускоряются" при её уменьшении!

Почему тахионы — гипотеза?

Идея тахионов возникла как попытка расширить рамки специальной теории относительности. В 1967 году физики Джеральд Файнберг и Армен Алабердиан предложили, что уравнения Эйнштейна допускают существование таких частиц.

Суть в том, что тахионы могут обладать мнимой массой — не путайте с воображаемым понятием, речь идет о корне из отрицательного числа в математике. Это открытие заставило физиков задуматься: а возможно ли, что во Вселенной существуют такие экзотические объекты, нарушающие привычные законы?

Но где загвоздка? В том, что пока никто не обнаружил ни одной тахионной частицы. Это гипотеза, основанная на математических выкладках, но в реальном мире такие частицы могут и не существовать.

Что было бы, если бы тахионы существовали?

Проблемы с причинностью
Движение быстрее света порождает парадоксы времени. Например, тахион мог бы "прилететь" в место назначения раньше, чем был послан. Это разрушает привычную нам связь между причиной и следствием: вы, условно говоря, могли бы узнать о будущем до того, как оно случится.

Энергетический парадокс
Если тахионы замедляются при увеличении энергии, это означает, что их скорость стремится к бесконечности при низкой энергии. Представьте себе "бесконечно быстрые" частицы, которые почти мгновенно перемещаются по всему космосу! В таком случае физика столкнулась бы с проблемой описания таких состояний.

Новые технологии?
Если бы мы могли использовать тахионы, то, возможно, появились бы технологии мгновенной передачи информации. Привет, сверхсветовой интернет и квантовые компьютеры нового поколения!

Проблемы и скептицизм

Современная наука относит тахионы к области спекулятивной физики. Одна из причин — отсутствие доказательств. Большинство экспериментов с элементарными частицами не выявили никаких следов тахионов. Кроме того, тахионы могут противоречить фундаментальным принципам термодинамики и квантовой механики.

Существует даже мнение, что тахионы — это математический артефакт, не имеющий отношения к реальности. То есть, они "существуют" только в уравнениях, а не в физической природе.

Полезное:

— Статья про тахионы на Википедии

— Gerald Feinberg, "Possibility of Faster-Than-Light Particles" (1967) — доступно в библиотеке arXiv.

Сегодня поговорим о фундаментальной штуке, которая лежит в основе всего, что нас окружает, — квантовых полях. Они — как невидимый скелет Вселенной, на котором держится вся физика частиц. Но что это вообще такое? Как они работают и каким образом создают частицы?

Что такое квантовое поле?

Всё начинается с того, что в квантовой физике и теории относительности мы представляем мир не как совокупность отдельных объектов, а как взаимодействие полей.

Поле — это объект, значение которого есть в каждой точке пространства и времени. Например:

— Температура воздуха — это поле (в каждой точке своё значение).

— Гравитация — тоже поле, потому что она действует везде.

Квантовое поле — это ещё более хитрая штука. Оно описывает вероятность того, что в определённой точке пространства появится частица. А частица — это всего лишь квант (мельчайший кусочек) этого поля.

Представьте поле как гладь пруда: если бросить камешек, появятся волны. Эти волны — своего рода "частицы", возникающие в поле.

Как квантовые поля создают частицы?

Частицы — это волны в квантовых полях. Например:

— Электрон — это возбуждение электронного поля.

— Фотон (частица света) — это колебание электромагнитного поля.

— Гравитон (гипотетическая частица) — возбуждение гравитационного поля.

Метафора с океаном:
Поле — это вода.
Частицы — это волны на поверхности воды.
Взаимодействие частиц — это столкновение волн.

Когда энергии в определённой точке поля становится достаточно (например, при столкновении частиц на ускорителе), из колебаний поля "рождаются" новые частицы.

Квантовые поля повсюду!

Сложно поверить, но все частицы вокруг нас, от электронов в ваших телефонах до нейтрино, пролетающих сквозь вас прямо сейчас, — это просто "всплески" в разных квантовых полях. Вся Вселенная — это огромная "сетка" из таких полей, которые постоянно взаимодействуют.

Почему квантовые поля важны?

Квантовые поля — основа Стандартной модели физики. Она описывает:

— Все известные частицы, от кварков до фотонов.

— Силы взаимодействия, включая электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие.

Единственное, что пока не удалось вписать в эту теорию, — гравитация. Квантовая теория гравитации остаётся открытым вопросом.

Как это используют?

— Коллайдеры частиц: В адронном коллайдере мы сталкиваем частицы с бешеной скоростью, чтобы наблюдать новые возбуждения в полях. Именно так был открыт бозон Хиггса.

— Квантовые компьютеры: Эти устройства работают благодаря запутанности и суперпозиции — явлениям из квантовых полей.

— Лазеры: Их работа напрямую связана с возбуждением электронных полей.

Для тех кто хочет углубиться:

— "Квантовая теория поля для чайников" (Дэвид Гриффитс).

— "Квантовая Вселенная" (Брайан Кокс).

— Канал на YouTube "PBS Space Time".

Итоги

Квантовые поля — это не просто сложная математическая абстракция, а реальная картина мира, объясняющая, как возникает материя. Мир вокруг нас — это океан полей, и мы сами — всего лишь "волны" в этом океане.

Используя так называемый «полуметаллический» материал, исследователи обнаружили странные частицы, которые не имеют массы при движении в определенном направлении, но приобретают массу при перенаправлении в направлении, перпендикулярном первоначальному. (Это можно сравнить с тем, как если бы вы шли в одном направлении и чувствовали себя очень лёгким, а затем, повернувшись на 90°, вдруг ощутили бы себя очень массивным)

Это было достигнуто путём воздействия на материал экстремальных условий, в частности магнитного поля, более чем в 10 миллионов раз превышающего магнитное поле Земли. Данный эксперимент может проложить путь к открытию новых физических явлений.

«Наша работа проливает свет на скрытые квазичастицы, возникающие из сложной топологии скрещенных узловых линий, и подчеркивает потенциал для изучения квантовой геометрии с помощью линейных оптических откликов», — объясняют исследователи в своей статье.

Узнайте, какие удивительные технологии разрабатываются сегодня и что нас ждет в будущем в мире науки и космоса! Присоединяйтесь к нам! Наука Космос Технологии! 🐼