Квантовая физика для детей. Продолжение
В прошлый раз мы начали разговор о квантовой физике. Рассказали о загадочном спутнике Сириуса, показали, как кот спускается по лестнице, и выяснили, в чём разница между людьми на танцплощадке и за столиками в кафе. Это было только начало. Самое интересное - впереди. Читайте!
На первый взгляд может показаться, что само по себе «квантование», «деление на кусочки» не должно вносить в законы физики каких-то серьёзных изменений. Ну, была у нас величина непрерывная: сначала ноль, потом ноль и ещё чуть-чуть, потом ноль и чуть-чуть побольше, потом ноль с половинкой, потом ноль с половинкой и ещё чуть-чуть - и так далее до одного. Ввели вместо неё величину квантованную: ноль, половинка, один. Ну и что изменилось?
А вот что. Любая игра, как известно, начинается с правил. Если мы изменяем правила, то получаем в итоге другую игру, верно? Скажем, в футболе по правилам нельзя трогать мяч руками. Если мы разрешим носить мяч, это уже будет не футбол, а какая-то другая игра! Вот и наука устроена в точности так же. Даже самое небольшое изменение в правилах может привести к очень серьёзным последствиям. Ну, например…
Волшебный магазин
Давайте поиграем в игру «Волшебный магазин». Представьте себе, что у нас есть магазин одежды и спортивного инвентаря. Правила работы магазина очень просты:
1. Если ты зашёл в этот магазин, то должен обязательно что-то купить.
2. Если ты купил в этом магазине какой-то предмет одежды, ты должен надеть его на себя.
Цены в магазине очень низкие. И вот в него отправляются трое ребят - второклассник Свёколкин, пятиклассница Капустина и семиклассник Горохов. Второкласснику Свёколкину нужно купить футболку. Пятикласснице Капустиной - платье для фигурного катания. А семиклассник Горохов мечтает о новой бейсболке. Каждому из ребят мы даём по 500 рублей.
Футболка в магазине стоит 100 рублей, платье - 150 рублей, бейсболка - 80 рублей. Все покупают себе обновки, надевают их на себя и, довольные, выходят из магазина. Никаких проблем, правда?
А теперь давайте наш волшебный магазин из обычной, классической системы превратим в квантовую и посмотрим, что при этом поменяется.
Представим себе, что в этом магазине нет никаких денежных купюр, кроме купюр по 500 рублей. Нет ни соток, ни десяток, ни полтинников, ни мелочи. У всех - только пятисотки. Тогда все величины у нас квантуются с шагом в 500. То есть так: 0; 500; 1000; 1500...
И что же происходит?
Футболка для Свёколкина стоит 100 рублей. Он даёт продавцу свою купюру в 500 рублей, но у продавца сдачи нет!
У него только в точности такие же пятисотки. Но мальчик ОБЯЗАН (по правилам!) что-то купить, он не может уйти из магазина с пустыми руками. Что делать?
- Ладно, - говорит продавец, - сделаем так. Я отдаю тебе футболку за 100 рублей, а ещё вот эти лыжи за 170 рублей и водолазный шлем за 230. Вместе как раз получится ровно 500!
Второклассник Свёколкин покупает всё вышеперечисленное и (по правилам!) напяливает всё это на себя. Мальчик выходит из магазина с водолазным шлемом на голове, да ещё и на лыжах.
С пятиклассницей Капустиной произошла та же история. Кроме платья, ей пришлось купить валенки сорок шестого размера и боксёрские перчатки.
А семиклассник Горохов нацепил коньки и облачился для подводного плавания.
Мы изменили в системе всего лишь одну деталь - поменяли с непрерывной на квантованную систему расчётов в магазине. И этого хватило, чтобы получить на выходе очень даже необычные результаты!
То же самое произошло и с квантовой физикой: весьма скромное требование - чтобы энергия передавалась только отдельными порциями (квантами) - привело к возникновению совершенно нового мира.
Чудеса микромира
Микромир, существующий по квантовым законам, - это совершенно особый, интереснейший мир, часто кажущийся нам, жителям большого макромира, фантастическим.
Например, в этом мире возможны… превращения. Причём не какие-то там фокусы из цирка, а именно самые настоящие превращения.
Например, свободная элементарная частица - нейтрон - является нестабильной. Это означает, что в какой-то момент она сама по себе, без всяких там волшебных слов, превращается в три совершенно другие элементарные частицы - протон, электрон и антинейтрино.
Физики ужасно не любят слово «превращение», они говорят, что «нейтрон распадается». Но на самом деле слово «распадается» неправильное! Можно подумать, что протон, электрон и антинейтрино уже были спрятаны внутри нейтрона, что он из них состоял, а потом распался на отдельные детали. Нет, это не так. Нейтрон - он «целый», и внутри него ничего не спрятано. Это именно самое настоящее превращение!
Если такие законы перенести в наш макромир, то начнутся чудеса почище любого Гарри Поттера. Потому что это выглядело бы так: стоит-стоит себе в комнате письменный стол, и вдруг - бабах! - превращается в трёхколёсный велосипед, спасательный круг и щенка бульдога.
Туннельный эффект
Хотите ещё чудес? Налетай!
Представьте себе кирпичную стену школы, об которую мальчишки на перемене «набивают» футбольный мяч. Можно ли сделать так, чтобы мяч пролетел сквозь стену и оказался прямо в кабинете директора? «Конечно, нельзя!» - скажете вы. Однако это справедливо только для макромира. В мире квантовой физики действуют совершенно другие законы!
Внутри самого обыкновенного компьютера или мобильного телефона есть тысячи крохотных радиодеталей, среди которых не последнее место занимают так называемые туннельные диоды. Заряженные частицы внутри такого диода бомбардируют энергетический барьер, как футбольные мячики - стенку, и отскакивают назад, но... не все! Некоторые из них проходят этот барьер насквозь, хотя по законам классической физики такого произойти не может.
Для описания состояния объекта в квантовой физике используется особая математическая конструкция - волновая функция. И устрое-на эта волновая функция так, что объект в пространстве как бы «размазывается», что в пределах работы этой функции его положение неопределённое. Он может быть как бы «немножко тут и немножко там». И вот движущаяся частица, которая подходит к барьеру, оказывается «немножко там» - и тем самым оказывается по другую сторону барьера! Физики называют это «туннельным эффектом».
Если перенести это явление в наш реальный мир, то получается вот какая картинка. Мальчишки набивают об стену мяч, он отскакивает раз, два, три, пять... А на шестой вдруг проходит сквозь стену (стена при этом остаётся целая и никуда не девается)...
Или другой вариант - ученик Петя Петрушкин сидит на задней парте, возле самой стенки. В нашем мире его положение определено точно. А вот в квантовой физике он может сидеть одновременно «немножко тут и немножко там», то есть вертится себе на стуле, вертится, и вдруг - бац! - оказывается в соседнем классе!
Или ещё хуже - стоит учительница перед закрытой дверью в класс. В обычном мире ей обязательно нужно дверь открыть и в класс зайти, по-другому она в классе никак не окажется. А в квантовом мире учительница может просто какое-то время постоять у двери и благодаря этой самой «неопределённости» мгновенно оказаться в классной комнате... Волшебство? Фантастика? Нет, просто квантовая физика.
И снова про определённость и неопределённость
В привычной нам классической физике мир является определённым, или, говоря языком науки, детерминированным. Что это означает? Это означает, что некий объект существует отдельно от нашего знания об этом объекте. Скажем, дошкольник Вася Редискин может не знать про то, что в Южной Америке есть такая страна - Уругвай. Тем не менее, страна Уругвай существует.
Но в квантовой физике всё совершенно не так! Тут мир определённым не является. В квантовой физике некая система, способная существовать в разных состояниях, существует во всех этих состояниях одновременно (это называется «суперпозицией состояний»), пока мы не проведём измерение! В момент измерения (или просто наблюдения) состояние системы мгновенно меняется на определённое (это называется «редукция фон Неймана» или «коллапс волновой функции»).
Давайте разберёмся с этим подробнее.
Представьте себе, что мы попали в незнакомый город, в совершенно незнакомую школу. Заходим в пустой класс, берём со стола учителя классный журнал, раскрываем. Ага, вот список учеников. Катя Капустина и Юля Морковина - это девочки. А вот Коля Картошкин и Петя Петрушкин - это мальчики. А вот Женя Левченко... Стоп, а кто это - Женя Левченко? Мальчик или девочка?
Пока ученики не зайдут в класс и мы не увидим (не пронаблюдаем) Женю, мы этого сказать не можем, правда?
С точки зрения физики Женя Левченко - это квантовая система, которая может принимать два возможных состояния: 1) Женя Левченко - мальчик; 2) Женя Левченко - девочка.
В нашем макромире, где работают законы классической механики, это состояние определено, детерминировано. Женя или мальчик, или девочка, и неважно, знакомы мы с Женей или нет. Однако в квантовом мире до тех пор, пока мы Женю не увидели (то есть не «измерили состояние системы»), Женя является и мальчиком, и девочкой одновременно! И только в тот момент, когда мы увидим Женю, он или она мгновенно (со скоростью намного выше скорости света!) перейдёт в определённое состояние. Произойдет «коллапс волновой функции», и Женя станет или мальчиком, или девочкой.
У нас останется одно значение Жени.
Куда же денется второе значение?
Параллельные вселенные
Некоторые учёные всерьёз утверждают, что в момент нашего наблюдения происходит «расщепление» нашей Вселенной на две параллельные вселенные - одну, в которой осталось измеренное нами состояние, и другую, в которой оказалось второе возможное квантовое состояние системы.
То есть если, скажем, мы увидели, что Женя Левченко - это девочка, то в этот момент возникла параллельная вселенная, в которой Женя Левченко - это мальчик.
Учёные придумали много примеров для того, чтобы сделать это явление более-менее понятным. Самый известный - так называемый «кот Шрёдингера», но мы не любим этот пример. Потому что там кот получается и живой, и мёртвый одновременно, а как мы в «Лучике» относимся к котикам, вы знаете. Так что пусть вместо котиков у нас будут…
Продолжение читайте в журнале «Лучик»!
Кроме того, там можно прочитать:
- Что такое теория относительности?
- Как на самом деле звали трёх мушкетёров?
- Какая сказка самая страшная?
- Чего людям не хватает для счастья?
Всё это журнал «Лучик» - для любознательных детей и родителей. Статьи о литературе, математике, астрономии, истории, биологии, живописи. Задания и головоломки для совместного выполнения всей семьёй. Надеемся, вам понравится!
Полистать журналы можно здесь: https://www.lychik-school.ru/archive/
Подписаться на журнал: https://lychik-school.ru/subscribe-form/
Если захотите узнать больше:
Мы в Instagram, каждый день - новый интересный факт: https://www.instagram.com/lychik_magazine/
Мы в Facebook: https://www.facebook.com/lychik.school/
Мы «Вконтакте»: https://vk.com/public140584280
Мы в «Одноклассниках»: https://ok.ru/zhurnalluc