Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Исполинский ум: Джон Уилер






    За исключением разве что Эйнштейна и Бора, никто не вел более
    горячей борьбы с нелепостями и успешными моментами кванто-
    вой теории, чем Джон Уилер. Является ли физическая реальность
    всего лишь иллюзией? Существуют ли параллельные квантовые
    вселенные? В прошлом, не вдаваясь в подробности этих упрямых
    квантовых парадоксов, Уилер применял эти вероятности для кон-
    струирования атомной и водородной бомб, а также был пионером в
    изучении черных дыр. Джон Уилер был последним из гигантов, или,
    как когда-то назвал их его студент Ричард Фейнман, «исполинских
    умов», который и до сих пор борется с безумными следствиями
    квантовой теории.

    Именно Уилер предложил термин «черная дыра» в 1967 году в
    Нью-Йорке на конференции в Институте космических исследова-
    ний им. Годдарда, NASA, после открытия первых пульсаров.

    Уилер родился в 1911 году в Джексонвилле (штат Флорида). Его
    отец был библиотекарем, но инженерия были в крови у членов семьи.
    Три его дяди были горными инженерами и в своей работе часто ис-
    пользовали взрывчатые вещества. Сама идея использования дина-
    мита глубоко захватила Джона, он обожал наблюдать за взрывами.
    (Однажды он неосторожно экспериментировал с куском динамита и
    тот случайно взорвался прямо у него в руке, оторвав один палец и фа-
    лангу другого. По случайному совпадению, когда Эйнштейн учился в
    школе, с ним произошел подобный случай: из-за его неосторожности


    взрыв произошел прямо у него в руке, и потребовалось наложить не-
    сколько швов.)

    В детстве Уилер был развит не по годам, он овладел основами
    математики и глотал все книги, какие ему только удавалось найти, по
    новой теории, о которой не переставая говорили его друзья, — кван-
    товой механике. Прямо на его глазах новая теория переживала свое
    становление в Европе, ее разработкой занимались Нильс Бор, Вернер
    Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, внезапно раскрьшший секреты ато-
    ма. Всего лишь несколько лет назад последователи философа Эрнста
    Маха поднимали на смех саму идею существования атомов, утверж-
    дая, что никогда еще атомы не удавалось наблюдать в лабораторных
    условиях и что вообще они наверняка были всего лишь выдумкой.
    Чего нельзя увидеть, то и существовать наверняка не может, утверж-
    дали они. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, заложивший
    основы термодинамики, покончил жизнь самоубийством в 1906 году
    отчасти из-за постоянных насмешек, с которыми ему приходилось
    иметь дело, проводя в жизнь концепцию атомов.

    Затем всего за пару лет, с 1925 по 1927 годы, было раскрыто мно-
    жество секретов атомов. Современная история не знала случаев, что-
    бы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий про-
    межуток времени (за исключением работы Эйнштейна в 1905 году).
    Уилер хотел принять участие в этом перевороте. Но он понимал, что
    Соединенные Штаты оставались за бортом достижений в области
    физики: в пределах страны не было ни единого физика мирового
    масштаба. Подобно Дж. Роберту Оппенгеймеру до него, Уилер уехал
    из Соединенных Штатов и отправился в Копенгаген, чтобы учиться
    у самого Маэстро — Нильса Бора.

    Эксперименты по изучению электронов показали, что электро-
    ны действуют и как частицы, и как волны. Секрет этой странной
    двойственности был в конце концов раскрыт квантовыми физиками:
    совершая свой танец вокруг атома, электрон виделся частицей, но
    эту частицу сопровождала загадочная волна. В 1925 году австрий-
    ский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитое
    уравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движение
    волны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая гре-
    ческой буквой ψ, с ошеломительной точностью прогнозировала
    поведение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул


    пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом эле-
    ментарном знании, стало возможно вглядеться в атом и вычислить,
    сколько электронов танцуют на своих орбитах, совершая переходы и
    соединяя атомы в молекулы.

    Квантовый физик Поль Дирак хвастливо пообещал, что фи-
    зики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил:
    «Основополагающие физические законы, составляющие математи-
    ческую базу большей части физики и всей химической науки, уже из-
    вестны. Единственная трудность состоит в том, что применение этих
    законов приводит к получению слишком сложных и не поддающихся
    решению уравнений». Как ни была внушительна эта ψ -функция, до
    сих пор оставалось загадкой, что же именно она представляла.

    В конце концов в 1928 году Макс Борн выдвинул идею о том, что
    эта волновая функция представляла вероятность обнаружения элек-
    трона в любой заданной точке. Иными словами, вы никогда не могли
    быть точно уверены, где находится электрон; максимум того, что вы
    могли сделать, — это вычислить его волновую функцию, которая
    давала вероятность его нахождения именно «там». Итак, если атом-
    ная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахождения
    электрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог на-
    ходиться в двух местах одновременно, то как же нам в конце концов
    определить, где он действительно находится?

    Бор и Гейзенберг в конце концов сформулировали полный набор
    рецептов в кулинарной книге физики, которые сработали в атомных
    экспериментах с потрясающей точностью. Волновая функция дает
    информацию только о вероятности того, что электрон находится
    «тут» или «там». Если для какой-то точки волновая функция велика,
    то это означает высокую вероятность того, что электрон находится
    именно там. (Если она мала, то маловероятно, что электрон находит-
    ся там.) Например, если бы мы могли «видеть» волновую функцию
    человека, то она выглядела бы очень похожей на этого человека.
    Однако волновая функция также плавно распространяется и на кос-
    мос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человек
    окажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распростра-
    няется по всей Вселенной.)

    Это также означает, что волновая функция дерева может сооб-
    щить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает,


    но она не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же со-
    стоянии оно действительно находится. Но здравый смысл говорит
    нам, что объекты находятся в каком-то определенном состоянии.
    Когда вы смотрите на дерево, оно определенно находится перед
    вами — либо стоит, либо падает, но не делает и того, и другого одно-
    временно.

    Чтобы разрешить несовпадения между волнами вероятности
    и представлением о существовании, диктуемым нашим здравым
    смыслом, Бор и Гейзенберг предположили, что после измерения,
    совершенного далеким наблюдателем, волновая функция волшеб-
    ным образом «коллапсирует» и электрон впадает в определенное
    состояние — то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно дей-
    ствительно стоит. Иными словами, процесс наблюдения определяет
    конечное состояние электрона. Наблюдение жизненно необходимо
    для существования. После того как мы взглянем на электрон, его
    волновая функция коллапсирует; таким образом, он теперь нахо-
    дится в определенном состоянии и больше нет нужды в волновых
    функциях.

    Итак, постулаты копенгагенской школы Бора можно суммиро-
    вать приблизительно в следующем виде:

    1. Вся энергия встречается в виде отдельных пучков энергии,
    называемых квантами. (Например, квантом света является
    фотон. Кванты слабого взаимодействия называются W- и
    Z-бозонами, квантом сильного взаимодействия является глю-
    он, а квант гравитации называется гравитоном, который нам
    еще предстоит увидеть в лабораториях.)

    2. Вещество представлено точечными частицами, но вероят-
    ность обнаружения этой частицы определяется волной. Сама
    волна, в свою очередь, подчиняется определенному волновому
    уравнению (такому, как волновое уравнение Шрёдингера).

    3. Перед наблюдением объект существует во всех возможных
    состояниях одновременно. Чтобы определить, в каком состоя-
    нии находится объект, нам необходимо провести наблюдение,
    в результате которого волновая функция «коллапсирует» и
    объект входит в определенное состояние. Сам акт наблюдения
    уничтожает волновую функцию, и объект приобретает реаль-


    ную определенность. Волновая функция служит своей цели:
    она дает нам точную вероятность обнаружения данного объ-
    екта в конкретном состоянии.

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.