КВАНТОВА СУТРА
"Ако бъдете попитани дали позицията му е постоянна, кажете не."
Ако ви попитат дали се променя с времето, трябва да кажете не.
Ако ви попитат дали е все още, трябва да кажете не.
Ако ви попитат дали се мести, трябва да кажете не.
Законите на квантовата механика са много трудни за възприемане, подобно на мистичните откровения, и тези думи на Робърт Опенхаймер за поведението на електрона биха могли да бъдат казани от Лао Дзъ две и половина хиляди години преди появата на съвременната физика.
Трудно е да си представим как би изглеждала нашата цивилизация без класическата физика и математика. Концепциите за абсолютната „обективна реалност, която съществува независимо от нашето съзнание“, за триизмерното евклидово пространство и равномерно протичащото време са толкова дълбоко вкоренени в съзнанието, че ние не ги забелязваме. И най-важното, отказваме да забележим, че те са приложими само в някои рутинни ситуации и са просто некоректни за обяснение на структурата на Вселената.
Въпреки че нещо подобно е било изразено преди векове от източните философи и мистици, Айнщайн е този, който пръв говори за това в западната наука. Това беше революция, която нашето съзнание не прие. Със снизхождение повтаряме: „всичко е относително“, „времето и пространството са едно“ – винаги имайки предвид, че това е предположение, научна абстракция, която няма много общо с нашата обичайна стабилна реалност. Всъщност просто нашите идеи са слабо свързани с реалността - удивителни и невероятни.
След като структурата на атома беше открита в общи линии и беше предложен неговият "планетарен" модел, учените бяха изправени пред много парадокси, за чието обяснение се появи цял клон на физиката - квантовата механика. Тя се развива бързо и далечнапреднал в разбирането на Вселената. Но тези обяснения са толкова трудни за разбиране, че засега малко хора могат да ги разберат поне в общи линии.
Наистина, повечето от постиженията на квантовата механика са придружени от толкова сложен математически апарат, че той просто не може да бъде преведен на нито един от човешките езици. Математиката, подобно на музиката, е изключително абстрактен предмет и учените все още се борят с адекватно изразяване на смисъл, например сгъване на функции или многомерни редове на Фурие.
Езикът на математиката е строг, но има малко отношение към прякото ни възприятие.
Освен това Айнщайн математически показа, че нашите представи за време и пространство са илюзорни. В действителност пространството и времето са неразделни и образуват единен четириизмерен континуум. Едва ли е възможно да си го представим, защото сме свикнали да боравим само с три измерения.
Учителят:Не е ли "Всъщност пространството и времето са неразделни и образуват единен четириизмерен континуум" не е ли концепция? Каква друга реалност е това? Не в същия Лий, където „нашите представи за време и пространство са илюзорни“?
Разбирането на случващото се в четириизмерния континуум като цяло е отвъд обикновения триизмерен ум. За да се разбере това, е необходимо да се излезе от рамките на обичайните интелектуални конструкции.
Учителят:Но сега от триизмерен ум ли говорите за това, или той вече се е превърнал в четириизмерен с идеи в четириизмерен?
планетарна теория. вълна или частица
До края на 19 век атомите се считат за неделими "елементи". Откриването на радиацията позволи на Ръдърфорд да проникне под „черупката“ на атома и да формулира планетарна теория за неговата структура:Основната маса на атома е съсредоточена в ядрото. Положителният заряд на ядрото се компенсира от отрицателно заредени електрони, чиито размери са толкова малки, че масата им може да бъде пренебрегната. Електроните се въртят около ядрото по орбити, подобни на въртенето на планетите около Слънцето. Теорията е много красива, но има редица противоречия.
Първо, защо отрицателно заредените електрони не "падат" върху положително ядро? Второ, в природата атомите се сблъскват милиони пъти в секунда, което ни най-малко не им вреди – как да обясним удивителната здравина на цялата система? По думите на един от „бащите“ на квантовата механика Хайзенберг „нито една планетарна система, която се подчинява на законите на Нютоновата механика, никога няма да се върне в първоначалното си състояние след сблъсък с друга подобна система“. Освен това размерите на ядрото, в което е събрана почти цялата маса, са изключително малки в сравнение с целия атом. Можем да кажем, че атомът е празнота, в която електроните се въртят с бясна скорост. В този случай такъв "празен" атом изглежда като много твърда частица. Обяснението на този феномен надхвърля класическото разбиране. Всъщност на субатомно ниво скоростта на една частица нараства толкова повече, колкото по-ограничено е пространството, в което се движи. Така че колкото по-близо един електрон е привлечен от ядрото, толкова по-бързо се движи и толкова повече се отблъсква от него. Скоростта на движение е толкова голяма, че "отвън" атомът "изглежда твърд", както лопатките на въртящия се вентилатор приличат на диск.
Данни, които не се вписват добре в рамките на класическия подход, се появяват много преди Айнщайн. За първи път такъв "дуел" се проведе между Нютон и Кирхоф, които се опитаха да обяснят свойствата на светлината. Нютон твърди, че това е поток от частици, вярва Кирхофвълнова светлина. Невъзможно е да се съгласуват позициите им в рамките на класическата физика. В края на краищата за нея вълната е предадено възбуждане на частиците на средата, концепция, приложима само към различни обекти. Нито една от свободните частици не може да се движи по вълнообразна траектория. Но електронът се движи в дълбок вакуум и неговите движения се описват от законите на вълновото движение. Какво се вълнува тук, ако няма среда? Квантовата физика предлага Соломоново решение: светлината е едновременно частица и вълна.
Вероятностни електронни облаци. Структурата на ядрото и ядрените частици
Постепенно ставаше все по-ясно: въртенето на електроните в орбити около ядрото на атома е напълно различно от въртенето на планетите около звезда. Имайки вълнов характер, електроните се описват по отношение на вероятността. Не можем да кажем за един електрон, че се намира в такава и такава точка в пространството, можем само да опишем приблизително в какви области може да се намира и с каква вероятност. Около ядрото електроните образуват "облаци" с такива вероятности от най-прости сферични до много странни форми, подобни на призрачни снимки.
Но всеки, който иска най-накрая да разбере структурата на атома, трябва да се обърне към неговата основа, към структурата на ядрото. Големите елементарни частици, които го изграждат – положително заредени протони и неутрални неутрони – също имат квантова природа, което означава, че се движат по-бързо, отколкото са затворени в по-малък обем. Тъй като размерите на ядрото са изключително малки дори в сравнение с атом, тези елементарни частици се носят с доста прилични скорости, близки до скоростта на светлината. За да обясним най-накрая тяхната структура и поведение, трябва да „кръстосваме“ квантовата теория с теорията на относителността.За съжаление, такава теория все още не е създадена и ще трябва да се ограничим до няколко общоприети модела.
Теорията на относителността показа (и експериментите доказаха), че масата е само една от формите на енергия. Енергията е динамична величина, свързана с процеси или работа. Следователно елементарната частица трябва да се възприема като вероятностна динамична функция, като взаимодействия, свързани с непрекъсната трансформация на енергия. Това дава неочакван отговор на въпроса колко са елементарни частиците, дали могат да бъдат разделени на "още по-прости" блокове. Ако разпръснем две частици в ускорителя и след това се сблъскаме, ще получим не две, а три частици, и те абсолютно еднакви. Третият просто ще възникне от енергията на техния сблъсък - така те ще се разделят и няма да се разделят едновременно!
Фигура 6
Участник вместо наблюдател
В свят, в който понятията за празно пространство, изолирана материя губят своето значение, една частица се описва само чрез нейните взаимодействия. За да кажем нещо за него, ще трябва да го "издърпаме" от първоначалните взаимодействия и след като го подготвим, да го подложим на друго взаимодействие - измерване. И така, какво в крайна сметка измерваме? И колко законни са нашите измервания като цяло, ако нашата намеса променя взаимодействията, в които участва частицата - и следователно променя самата частица?
В съвременната физика на елементарните частици се предизвикват все повече критики. самата фигура на учен-наблюдател. По-правилно би било да го наречем "участник".
Наблюдател-участник е необходим не само за измерване на свойствата на субатомната частица, но и за определяне на самите тези свойства, тъй като те могат да бъдат обсъждани само в контекста на взаимодействие с наблюдател. Струва сиизбира начина, по който ще извършва измервания, и в зависимост от това се реализират възможните свойства на частицата. Струва си да промените системата за наблюдение и свойствата на наблюдавания обект също ще се променят.
Тази важна точка разкрива дълбокото единство на всички неща и явления. Самите частици, непрекъснато преминаващи една в друга и в други форми на енергия, нямат постоянни или точни характеристики - тези характеристики зависят от начина, по който избираме да ги видим. Ако искате да измерите едно свойство на частица, другото непременно ще се промени. Такова ограничение не е свързано с несъвършенство на инструменти или други напълно поправими неща. Това е характеристика на реалността. Опитайте се да измерите точно позицията на частица и няма да можете да кажете нищо за посоката и скоростта на нейното движение - просто защото тя няма да ги има. Опишете точно движението на една частица - няма да я намерите в космоса. Така съвременната физика поставя пред нас проблеми от напълно метафизичен характер.
Учител:Зависи от това кой гледа, тъй като те виждат само това, което искат да видят. И съответно наблюдателят получава нужните му характеристики на собствената реалност, вече от напълно метафизичен характер. Тук методът е самият този метафизичен наблюдател с всичките си притежания.
Принципът на несигурността. Място или импулс, енергия или време
Вече казахме, че е невъзможно да се говори за субатомни частици в точните термини, с които сме свикнали, в квантовия свят ни остава само вероятността. Това, разбира се, не е вероятността, за която хората говорят, когато залагат на състезания, а фундаментално свойство на елементарните частици. Те всъщност не съществуват, но по-скоро могат да съществуват. Те не само имат характеристики, нопо-скоро могат да ги имат. Научно казано, частицата е динамична вероятностна схема и всички нейни свойства са в постоянно движещо се равновесие, балансиране, като Ин и Ян на древния китайски символ тай чи. Нищо чудно, че нобеловият лауреат Нилс Бор, издигнат в ранг на благородник, е избрал този знак и мото за своя герб: „Противоположностите се допълват взаимно“. Математически разпределението на вероятността е неравномерно колебание на вълната. Колкото по-голяма е амплитудата на вълната на определено място, толкова по-голяма е вероятността за съществуване на частица в него. Освен това дължината му не е постоянна - разстоянията между съседните гребени не са еднакви и колкото по-голяма е амплитудата на вълната, толкова по-голяма е разликата между тях. Докато амплитудата съответства на позицията на частицата в пространството, дължината на вълната е свързана с импулса на частицата, тоест с посоката и скоростта на нейното движение. Колкото по-голяма е амплитудата (колкото по-точно може да се локализира частицата в пространството), толкова по-несигурна става дължината на вълната (колкото по-малко може да се каже за импулса на частицата). Ако можем да определим позицията на една частица с най-голяма точност, тя изобщо няма да има определен импулс.
Учител:Именно това „може“ да съществува/притежава и казва, че всичко зависи от това кой гледа, изчислявайки самите тези характеристики. Що се отнася до символите (тай чи), тук искам да ви предупредя, че така човек се оправдава от векове, пропускайки себе си като основна причина за това, което е!
Това фундаментално свойство се извежда математически от свойствата на вълната и се нарича принцип на неопределеността. Принципът важи и за други характеристики на елементарните частици. Друга такава взаимосвързана двойка е енергията и времето на квантовите процеси. Колкото по-бързо вървипроцес, толкова по-несигурно е количеството енергия, участващо в него, и обратното – възможно е точно да се характеризира енергията само за процес с достатъчна продължителност.
И така, разбрахме: нищо определено не може да се каже за частицата. Движи се там, или не там, или по-скоро нито тук, нито там. Характеристиките му са такива или такива, или по-скоро не такива и не такива. Тук е, но може да е там, а може и да не е никъде. Така че съществува ли изобщо?
Учителят: Съществува, в ГЛАВАТА!
