«Популярное изложение»: Физика микромира. Две интерпретации квантовой реальности

«Популярное изложение»: Физика микромира. Две интерпретации квантовой реальности

Квантовая физика – это научная эзотерика XXI века. Все о ней слышали, но мало кто знает о ней что-либо определенное, еще меньше – ее понимают. Concepture публикует популярное изложение двух интерпретаций квантовой реальности.

Квантовый мир

В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают и принимают энергию дискретным образом –порциями. Эти порции энергии он назвал квантами. Впоследствии Эйнштейн применил квантовую теорию Планка в своей теории света, результатом чего стало принципиальное положение, что свет также состоит из квантов, движущихся со скоростью 299 792 458 м/с.

Именно использование понятия «кванта» в качестве системообразующего элемента является отличительной чертой квантовой физики (о чем свидетельствует само название). Квантовая физика занимается изучением квантовых систем, или микросистем. То есть, она описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул и других систем с электронно-ядерным строением. При этом подразумевается, что события, проявляющиеся на уровне микромира, имеют следствия на уровне макромира. Микромир и макромир – это области реальности, различающиеся уровнями структурной организации материи.

Если макромир – это обычный человекоразмерный мир, в котором действуют привычные параметры: метры, килограммы, минуты, то микромир – это качественно иная область, в которой размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки составляют миллиардные доли секунды. Разница между мирами заключается также в способе существования материи на двух уровнях. В макромире материальные объекты имеют либо корпускулярную (частичную), либо волновую природу, в микромире – они неотличимо переплетаются, что порождает необходимость создания новых способов описания. Так один из ключевых принципов квантовой физики (принцип дополнительности), сформулированный Нильсом Бором, гласит: «для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных». 

Квантовая физика занимается изучением исключительно микрообъектов, чья величина не должна превышать постоянной Планка. В противном случае квантовая механика переходит в классическую механику (макрообъектный уровень). Постоянная Планка – это критерий различения микро и макрообъектов. Постоянная Планка является показателем момента импульса. Момент импульса – это величина, характеризующая количество вращающейся массы, ее распределение относительно оси вращения и скорость вращения. Понятно, что момент испульса у микро- и макрочастиц различный.

Как мы уже отмечали выше, квантовая физика постулирует принципиальную связь между мирами, поэтому неудивительно, что споры о поведении атомов в конце концов переросли в споры об устройстве мироздания. В квантовой физике существует две наиболее распространенные интерпретации этого вопроса.

Копенгагенская модель вселенной

Первая – Копенгагенская интерпретация, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Свое название получила в связи с тем, что эти два физика на момент создания интерпретации работали в Копенгагене. Вторая – Многмировая интерпретация – была сформулирована американским физиком Хью Эвереттом III. Чтобы объяснить разницу между интерпретациями, необходимо рассмотреть некоторые принципиальные моменты. Первым таким моментом является понятие «волновой функции». Если говорить в общем смысле, волновая функция – это функция, описывающая чистое состояние квантовой системы. Чистое состояние – это любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.

Поскольку физический мир, согласно копенгагенской интерпретации, состоит из квантов (микрообъектов) и измерительных приборов (макрообъектов), квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в макроусловиях, создающихся человекоразмерными измерительными приборами в процессе наблюдения. Более того в процессе взаимодействия микрообъекта с атомами измерительного прибора происходит редукция волновой функции измеряемого микрообъекта. Редукция волновой функции – это мгновенное изменение описания квантового состояния объекта, происходящее при его измерении, переход от параметров микрообъектности к макрообъектности.

При этом, согласно копенгагенской интерпретации, редукция волновой функции сводит квантовую суперпозицию к одному состоянию. Суперпозиция в квантовой физике – это одновременное сосуществование взаимоисключающих состояний у одного микрообъекта. Таким образом, смысл копенгагенской интерпретации сводится к тому, что в момент акта наблюдения, когда взаимодействуют квантовый объект и измерительный прибор, квантовый объект утрачивает свою неопределенность (суперпозицию), свою корпускулярно-волновую природу, и предстает наблюдателю либо как частица, либо как волна.

Многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация напротив утверждает, не существует единой волновой функции. Что у квантового объекта и наблюдателя они разные. Поэтому процесс измерения микрообъекта дает разные значения измеряемой величины и, поскольку они кореллируют, разные значения наблюдателя. То есть, можно сказать, что при каждом акте измерения квантового объекта, наблюдатель как бы расщепляется на неограниченное количество версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную предшествующую измерению историю и версию Вселенной.

Вот почему эту интерпретацию и называют многомировой, а саму многовариантную Вселенную – Мультиверсом. При этом важно понять, что многомировая интерпретация не предполагает  реального наличия параллельных вселенных. Квантовый мир, согласно многомировой интерпретации – ровно один, однако в силу наличия в нем бесчисленного множества волновых функций объектов, этот мир может быть описан бесконечным количеством различных способов. Другими словами под «другим миром» в многомировой интерпретации понимается просто другой способ описания одного и того же реального мира. 

Рекомендуем прочесть:

1. В.Гейзенберг – «Физика и философия»;

2. С.Хокинг – «Краткая история времени».

Автор: Алибек Шарипов
959