Вселенская неопределенность

Квантовая механика высветила структуру материи на самом низком фундаментальном уровне. Но в 1927 году неожиданно оказалось, что существует предел, за который мы не сможем заглянуть в своих познаниях природы. Квантовая структура Вселенной оказалась разделена непроходимым Рубиконом неопределенности.

Решающую неопределенность в квантовую физику принес Вернер Гейзенберг, молодой исследователь из Института теоретической физики при университете Копенгагена (впоследствии этот институт получил имя своего основателя Нильса Бора). Вскоре после этого состоялся очередной Сольвеевский конгресс, собравший в Брюсселе элиту физики на обсуждение путей развития квантовой теории.

Имя Вернера Гейзенберга стало в наши дни синонимом наиболее трудного для интуитивного понимания явления квантовой физики, а именно принципа неопределенности

Обсуждения сконцентрировались на том пределе малости, после которого исследователи не могли бы ничего сказать о том, верны ли наблюдения или нет. Сама идея квантовой неопределенности произвела большое впечатление на ученых. Например, Альберт Эйнштейн не встал в ряды сторонников новой идеи, заявив, что «Бог не играет в кости» . Бор на это шутливо ответил: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать!»

Принцип неопределенности

В середине 1920-х годов Гейзенберг со своим коллегой Максом Борном обнаружили, что вероятность — область математики, имеющая дело с шансами событий, — является центральным понятием изучения волновых форм квантовых частиц.

Окончательно это положение стало известно как принцип неопределенности, который звучал так: «Чем точнее мы определяем положение частицы, тем менее точно можем определить ее момент движения (импульс) и скорость в то же мгновение». Соответственно, так же верно обратное утверждение. Причем дело тут не в проблеме средств измерения, а в свойствах волновых функций частиц. Если мы сосредотачиваемся на скорости квантовой частицы, точнее, на ее импульсе (произведении массы на скорость), то ее положение можем узнать лишь в терминах вероятности быть в той или иной точке.

В 1935 году Эрвин Шрёдингер поставил мысленный эксперимент: он поместил гипотетического кота в коробку, где находилась также капсула с ядом, который выделялся, когда регистрировался распад одного заранее выбранного атома — процесс в принципе непредсказуемый. Шрёдингер утверждал, что, закрыв крышку, невозможно точно узнать, живой кот или мертвый. Согласно квантовой теории, кот может быть с равной вероятностью живым и мертвым — но до тех пор, пока наблюдатель не откроет крышку

Особенности причинно-следственной связи

Это обстоятельство дает квантовой частице возможность иметь множественные состояния, когда она появляется одновременно в нескольких точках пространства. Конкретное же местоположение частицы мы узнаем, лишь когда на нее смотрим. Подобная идея называется суперпозицией и нарушает привычную для нас связь между причиной и следствием. Одним из центральных догматов физики является предшествие причины результату, без чего невозможно формирование будущего.

Принцип суперпозиции частиц в квантовых системах нарушает эту причинно-следственную связь. В таких масштабах эффекты часто имеют место без причины, так что нельзя сказать ничего определенного о том, что произойдет. Еще до того, как наблюдатель произведет измерения, любой исход можно рассматривать как один из множества возможных сценариев развития. Принцип суперпозиции не только способен озадачить читателя, но и считается хорошей теоретической основой для создания суперкомпьютеров и освоения телепортации. Однако все это еще далеко от реализации.

Полураспад

Период полураспада (t1/2) — величина постоянная и не зависящая от количества уже распавшегося материала

Квантовая неопределенность утверждает невозможность предсказания того, когда именно распадется выбранный радиоактивный атом. Напротив, радиоактивный распад всегда подразумевает вероятностный подход. Более нестабильный элемент тоже с определенной долей вероятности распадется раньше более стабильного элемента. Скорость радиоактивного распада определяется периодом полураспада элемента — т.е. интервалом, за который половина атомов, скорее всего, распадется. Период полураспада наиболее распространенного изотопа урана (с массой 238) составляет 4,46 млрд лет, что соответствует возрасту нашей планеты. Это означает, что сейчас на Земле осталась лишь половина природного урана.