В чём квантовая физика конфликтует с классической? Топ-9 главных различий

Ньютоновская физика гораздо более прозрачна и понятна большему числу людей, нежели квантовая.

Тот, кто не был потрясён при первом знакомстве с квантовой теорией, очевидно, просто ничего не понял.

— так сказал Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии за работы по исследованию структуры атома. С ним сложно поспорить, потому что мир буквально переворачивается.

Часто в квантовой физике появляются вопросы, на которые не способны ответить даже сами ученые. Мы получаем или парадокс, или вопрос без ответа в надежде найти объяснение чуть позже. По меркам многих читателей такая физика уже граничит с эзотерикой. Но, тем не менее, это наука и подчиняется она научной методологии. Есть эксперименты и есть даже модели большинства процессов. Сейчас наша цель именно что увидеть различия квантовой физики и физики классической.

С чего всё началось

Ищем причину

Классическая механика — штука хорошая, наглядная и имеющая подтверждения. Но всё так безоблачно, пока мы не заглянем на уровень глубже. Горе-беда начинаются при попытке объяснить существующие закономерности не на уровне «так устроено», который был характерен для Ньютона и на его этапе простителен, а на уровне «почему это так устроено». Например, не просто обозначить существование гравитации, а обнаружить ей причину.

И тут ученые пришли к страшному выводу:

Закономерности, выявленные отцами физики на макроуровне, не работают или работают с некоторыми серьезными допущениями на микроуровне.

В общем-то, момент обнаружения таких различий и можно уже считать формированием квантовой физики как отдельной области знания со всеми её «небылицами» и сложностями.

Например, строго по классической формулировке электрон должен был бы упасть на ядро рано или поздно. Но Бор отметил, что атом испускает энергию квантами, а не постоянно. Причем только в определенный момент.

Ещё страшнее стало, когда был обнаружен корпускулярно-волновой дуализм. Нужно было как-то логично увязать волновые и корпускулярные свойства. Было не совсем ясно, как частицы, которые мы привыкли визуализировать подобно мячикам, вдруг обладают свойствами волны.

Главное принципиальное отличие квантовой физики от классической

Самое важное!

Для начала давайте сформулируем главное принципиальное отличие квантовой теории от классической.

Что мы знаем про физику Ньютона? Как минимум — это точная наука, подчиняющаяся выявленным закономерностям.

Отклонение от ожидаемого результата тут связано или с недостаточным количеством данных, или с неверной формулировкой базовой закономерности, или банальной ошибкой.

Теперь посмотрим на мир квантовой физики. Тут не работает классическая линейная механика. Вводится такое понятие, как вероятность и даже случайность и это становится базой познания. Из линейной науки физика превращается в естественную, где законы вроде и есть, а вроде бы их и нет.

Главный инструмент квантовой физики — это не детерменизм, а вероятность наступления события. Даже самого невероятного события.

В качестве примера можно привести важный довод. Больше нет орбиты у электрона. Есть его вероятностное положение и зона вероятностного появления. Ну а бутылка с водой не стоит на столе, а находится там с вероятностью 95%. Остаётся целых 5% на то, что бутылки нет совсем.

Квантовая физика буквально формулирует метод познания как «не верь глазам своим». Классическая физика против, а оно всё вероятно.

Примеры невероятных различий или как пошатнулись устои

Теперь давайте посмотрим на реальные примеры различия двух миров и, я почти уверен, что если вы ещё совсем не знакомы с миром квантовой физики, то глаза вылезут на лоб.

Принцип неопределенности

Начнем с самого главного и сложного для восприятия принципа. В обычной физике точность описания положения или состояния объекта упирается только лишь в точность приборов для измерения и погрешность.

В квантовой физике всё совсем не так. Слышали про неопределенность Гейзенберга?

На квантовом уровне, измеряя один показатель, например скорость, ты не можешь одновременно получить точные значения других показателей — например, координаты

Как такое вообще возможно и где тут физика?

Представьте себе простой пример. Мы хотим определить положение четырехколесной тележки. Если проявить фантазию, то есть два способа. Ньютон бы взял рулетку и расчертил координатную плоскость. Как отметить на ней тележку уже ясно.

Но более глубокие мысли позволяют прийти к квантовому восприятию. По всей логике классической физики в тележку можно кидаться яблоками и по мере попадания яблока в телегу и исходя из скорости его движения можно рассчитать расстояние до телеги. Да вот беда…Каждое яблоко при попадании в тележку будет отодвигать её на некоторое расстояние. Это тоже можно рассчитать, исходя из классической механики. Но теперь заменим яблоки фотонами. Ведь изображение объекта формируется отражением света от этого объекта. И в случае, когда фотоны отодвигают тележку, рассчитать характеристики будет очень сложно. Вот и пришли к неопределенности. Ключ в том, что один фактор зависит от другого и мы не знаем как, а следовательно можем точно выявить лишь один параметр.

Вашу маму и тут, и там показывают

Речь про квантовую суперпозицию. В классической физике если есть частица, то она есть здесь и сейчас. Смотрим мы на электрон и говорим, что в данный момент времени он обязательно находится тут.

Квантовая физика пошла дальше и сказала — электрон есть сейчас и здесь, и где-то ещё. Сразу в двух точках одновременно. А найти его мы сможем методом измерения с попаданием в цель с некоторой долей вероятности. Такое представление буквально ломает разум выпускникам средней школы 🙂 Но тут стоит вспомнить классический двухщелевой эксперимент. Об этом поговорим как-нибудь отдельно.

Эффект наблюдателя

Один из самых занятных эффектов, который пересекается и с квантовой суперпозицией.

Как в классической физике? Есть зерно металла и мы изучаем его под микроскопом. И оно ЕСТЬ. Через пару часов оно снова БУДЕТ.

В квантовой физике всё сложнее. Существует так называемая волновая функция. Страшный зверь в несколько этажей! Она описывает комплексную волну вероятности, которую невозможно увидеть.

При попытке частицу наблюдать, она как будто бы реагирует на процесс наблюдения и принимает наиболее вероятностное своё состояние. Происходит коллапс квантовой функции, который приводит к результату.

Это звучит примерно как: мужик, желающий слить бензин, заметил слежку и решил повести себя как добропорядочный гражданин! Но не может же частица обладать индивидуальным сознанием!? Или может? 🙂

Квантовая запутанность

В обычной физике два атома, находящиеся друг рядом с другом, не могут определять состояния друг друга. Это как два камня, которые лежат на дороге.

В квантовой физике всё интереснее. Вводится такое понятие, как квантовая запутанность. Сильное упрощение этого термина обозначает, что существуют группы частиц, которые непонятным на данный момент образом связаны друг с другом. Так, если состояние частицы изменилось, то состояние связанной частицы изменится вместе с ним. Под состоянием мы понимаем ряд факторов, который включает, например, спин частицы. Причем, связанные частицы могут находиться чуть ли не на разных сторонах галактики.

Не стоит думать, что это пустые фантазии. Уже появляется прикладное применение квантовой запутанности. На базе этого явления функционирует квантовый компьютер и тестируется способ беспроводной сверх-быстрой передачи данных. Причем, происходит это одновременно или мгновенно! Ну а скорость света, вроде как, превышать низя. С какой же скоростью тогда происходит обмен информацией?

Квантовый скачок

Довольно популярным эта тема была одно время

Квантовый скачок — это не только название известного фильма. Это ещё и физический процесс, который связан с изучением особенностей устройства атома. Мы уже косвенно затрагивали этот момент. Дело в том, что переход электрона с одной орбиты на другую происходит не как это предполагает классическая физика, а мгновенно. С полным отсутствием скорости, потому что в один миг.

Классическая физика видит этот процесс как движение лодки через реку. Рыбак переплывает реку из точки А в точку Б за 5 минут. По представлениям новой физики рыбак должен оказаться на другом берегу в один миг. Даже задуматься не успеешь. Быстрее, чем самое быстрое.

Материя есть лишь волна

Одним из выводов, который следует в том числе из приведенных выше рассуждений является закономерная логика работ Шрёдингера. Он построил все свои теории на простом доводе:

Частиц как таковых не существует. Любая частица, а следовательно — и материя, есть только лишь колебания энергии.

Значит, электрон — это лишь стоячая волна (имеет энергию, но не перемещается, пример — струна гитары) с определенными энергетическими характеристиками.По этой логике вся материя является энергия в той или иной форме.

Классическая физика, само собой, воспринимает материю лишь как материю. Камень он и есть камень. Никакой волны и энергий.

Идеи многомерной вселенной и новых сюжетных линий

При рассмотрении этих доводов Ньютон бы, наверное, сам прыгнул с крыши башни, чтобы как-то прийти в себя с помощью гравитации :)…

Само собой, мы сейчас не сможем описать всю глубину мыслей ученых на этот счёт. Поэтому, коротко обозначим главные постулаты.

Существует два понимания квантовой механики. Копенгагенская и многомировая.

Копенгагенская гласит, что:

Квантовые сущности описываются волновой функцией и при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует с конкретным значением, что мы и видим, как событие

Многомировая теория пошла дальше и обозначила следующее:

Каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход. Это так называемое квантовое бессмертие.

На примере понять различие проще.

По первому взгляду на проблему если на человека упал с крыши камень, то получился коллапс квантовой функции и мы имеем как исход разбитую голову. По многомировой теории всё интереснее — такое событие провоцирует генерацию множества вселенных с множеством сюжетных линий. В одной получившейся вселенной у человека будет разбита голова, в другой — он погибнет. В третьей — он окажется в каске, а в четвертой просто набьет себе шишку. Остаётся найти наиболее вероятный для нашего восприятия расклад.

Для классической физики и для отца механики Ньютона это значит что-то из серии, что «в одной из возможных вселенных яблоко не упало на землю», а отлетело в космос :)…

Теория поля

Тут мы тоже не сможем раскрыть всю глубину понимания вопроса. Больно объемный материал. Отметим лишь только, что различные теории из «мира квантовой физики» позволяют ответить на такие вопросы, как «почему в космосе есть радиоволны».

Среди имеющихся представлений существует такая штука, как квантовая пена. Она заполняет все якобы пустое пространство и является агентом для передачи базовых взаимодействий.

Иными словами, если мы и не можем найти материю в классическом её понимании между объектами, то там всегда есть энергия и среда, способная к колебаниям.

Вместо заключения

Я надеюсь, что вам, уважаемые читатели, понятно, что вместить в одну большую статью всю глубину квантовой физики невозможно. Тут я постарался выделить наиболее кричащие различия в логике и методологии квантовой физики и физики обычной. Сложно тут претендовать на исчерпывающий материал.

Многие после изучения азов квантовой физики связывают это понимание с чем-то типа эзотерики. Но как ещё искать ответы на вопросы «почему», чтобы затем научиться использовать всё это в прикладном варианте. Этот уровень знаний гораздо более глубокий, нежели обычная линейная физика. И даже если мы изучим все виды резьбы, то это не поможет потом оттолкнуться от гравитационного поля. Значит, глубина для инженерного познания не менее важна, чем для философского.

Кстати, все отцы-основатели квантового познания были связаны и с религией. У Нильса Бора в семейном гербе этак вообще Инь-Ян красовался, а Шрёдингер параллельно изучению физики исследовал индийские Упанишады.

Обозначу сейчас не совсем популярную точку зрения, которая слегка противоречит названию моего проекта. Я не вижу ничего плохого в том, что физика и мистика находят точки пересечения, а некоторые моменты, которые раньше считались бесовством, сейчас уже имеют экспериментальное подтверждение.

Физика — это наука о природе, а природа сложна и многогранна. Странно тут полностью отбрасывать рассуждения и мысли наших предков на этот счёт. Ведь если говорить о том же понимании времени, то в философии представления об уровне, где можно увидеть любой процесс как последовательный набор кадров, появился гораздо раньше, нежели в физике.

СТАНЬ МЕЦЕНАТОМ!! Поддержи LegendaPress пожертвованием, чтоб мы и дальше могли писать для Вас!