У каждого свои отношения с физикой, с квантовой — тем более. А что, если рассказать о сложных научных вещах в комиксе: с доступными объяснениями, юморными героями, невероятным сюжетом? Получится история о Бобе и его собаке Рике: они путешествуют в пространстве и времени, знакомятся с великими учеными и постигают «Тайны квантового мира». Хотите присоединиться? Выбрали 10 захватывающих фактов из этой новинки.
Дверь в квантовый мир открыл физик Макс Планк
Тайны квантового мира
В 1900 году он обнаружил новую фундаментальную константу — постоянную величину, которая возникает в законах природы. Назвал ее h. Ученый впервые упомянул ее в работе о тепловом излучении, а в поисках формулы разделил на части энергию вещества. Чтобы понять важность постоянной Планка, представьте: если бы h заменили меньшей величиной, мы бы мгновенно сгорели из-за воздействия ультрафиолетовых лучей и гамма-излучения.
Примерно так
Свет похож на морскую волну
Одно из отличительных свойств волн — феномен интерференции. Представим морские волны, которые наталкиваются на дамбу с двумя отверстиями. За дамбой волны расходятся от центра этих отверстий и пересекаются друг с другом. В одних местах они складываются и формируют сильное колебание. А в других друг друга нейтрализуют.
Свет демонстрирует тот же феномен
Но свет — это все-таки не волна. Или не только волна
Так считал Эйнштейн. Он провел несколько экспериментов и доказал, что свет имеет корпускулярный характер. А луч света состоит из маленьких отдельных кусочков энергии. Физик назвал их световым квантом.
Квант света
Цвет Солнца и углей зависит от их температуры
Макс Планк и главный герой книги Боб
Температура углей около 800 градусов Цельсия, они излучают свет, частота которого в основном соответствует красному цвету. А у Солнца температура выше (6000 градусов Цельсия), потому мы видим его желтым.
Квант света обладает импульсом
Альберт Эйнштейн знал, что атом, попадая в тепловое излучение, начинает вести себя хаотично. Он случайным образом обменивается импульсами со светом..
Представьте, что атом — это ковбой, который оказался в западне. А пули, которые он испускает и получает, — квант света. Во время выстрела парень в шляпе чувствует отдачу, противоположную импульсу выпущенной пули. А когда принимает пулю, то ощущает ее импульс.
Ковбой Атом ведет себя таким образом потому, что квант света, как и пуля, обладает не только энергией, но и импульсом
У Шрёдингера был свой атом
Физик Эрвин Шрёдингер предложил отказаться от идеи о том, что материя состоит из частиц. Он везде видел волны. Вот и электрон считал волной, но не той, что вращается вокруг ядра атома по заданной орбите. Она дрожит во времени, сохраняя единую форму в пространстве. Похоже на вибрацию мембраны барабана, когда в него ударили. Ежесекундно эта волна принимает форму сферического облака, чья плотность стремительно убывает по мере удаления от ядра атома. Плотность в центре этого облака колеблется.
Идея Шрёдингера
Некоторые ученые считали: нет объективной квантовой реальности
Физик Макс Борн утверждал, что квантовая физика базируется на случайности. А Нильс Бор был уверен: надо довольствоваться лишь теми данными, которые ученые получили благодаря измерительным приборам. И предлагал отказаться от желания описать атомный мир категориями пространства, времени и причинно-следственных связей.
Эйнштейн не согласен
Кот Шрёдингера
В 1935 году Шрёдингер привел в пример ситуацию, которую объясняет квантовая теория, хотя она и кажется абсурдной с точки зрения классической физики. Он мысленно поместил живого кота в камеру с коварным механизмом, способным убить или не убить кота в течение часа. В зависимости от того, распадется ли хоть один радиоактивный атом. Квантовая теория описывает состояние кота к концу этого часа волновой функцией ψ, которая соответствует суперпозиции волны ψживой для живого кота и волны ψмертвый для мертвого кота: ψ = ψживой + ψмертвый. Этим примером Шрёдингер хотел показать, что невозможно заточить «квантовую размытость» в микроскопический мир. Ни один кот не пострадал 🙂
В комиксе место кота занял пес
Мышь Эйнштейна
14 апреля 1954 года Альберт Эйнштейн прочел последнюю в своей жизни лекцию в Принстонском университете. Центральной темой была квантовая теория. Ученый объяснил, почему ему кажется, что она не дает всех ответов. Он рассказал, что первым ввел вероятность в квантовую физику, но также отметил, что не удовлетворен физическим смыслом волновой функции. И привел в пример квантовое описание маленького шарика диаметром 1 мм, который перемещается в коробке. Волновая функция дает размытое описание расположения шарика в коробке (и для этого надо долго ждать), тогда как повседневный опыт говорит о том, что мы всегда наблюдаем шарик в определенном месте.
Эйнштейн прокомментировал ситуацию так: «Трудно поверить, что это описание полное. Кажется, что оно делает мир крайне туманным до тех пор, пока за ним не начнет кто-нибудь наблюдать, например мышь. Можно ли поверить в то, что взгляд мышки может значительно изменить Вселенную?»
Философский вопрос
В квантовом мире множество независимых реальностей
Хью Эверетт, аспирант Принстонского университета, понял: квантовый мир — множественный мир, который состоит из наложения разных реальностей. Они развиваются почти независимо друг от друга. В квантовой реальности все определено и все возможные варианты осуществляются одновременно.
Выкладки Хью Эверетта
В гипотезах, открытиях и формулах выдающихся ученых гораздо легче разобраться, когда вместе с вами это делает кто-то еще. Боб переспрашивает, удивляется, упорядочивает свои выводы. И помогает приоткрыть завесу тайны квантового мира.
По материалам книги «Тайны квантового мира»
