Могут ли гости из других измерений оказаться в нашем? Доцент НИЯУ МИФИ Егор Задеба объясняет принципы квантовой механики

Доцент НИЯУ МИФИ Егор Задеба рассказал, как законы микромира влияют на привычный нам макромир.

— Квантовая механика говорит: если мы смотрим на мир, он меняется (принцип неопределенности). Возможно, без нашего взгляда его просто не существует. А если смотрит муравей? Животное?

— Если говорить строго, то квантовая механика не делает подобных утверждений. Скорее это научно-популярная трактовка её особенностей. Чаще всего про влияние наблюдателя на ход физических процессов говорят при объяснении принципа неопределенности Гейзенберга. Под наблюдателем в физике подразумевается любое измерительное устройство, будь то специальный прибор или глаз человека. Муравей, обладающий зрением, слухом и обонянием, также является классическим наблюдателем. А вот если дать муравью интерферометр, то наблюдателем становится уже сам прибор. Как наблюдение влияет на объект? Например, чтобы увидеть что-то в микроскоп, нужно облучить этот объект светом — он рассеется, отразится от него, другими словами, при наблюдении мы на объект повлияем.

Теперь давайте разберемся, что такое принцип неопределенности. Обычно под этим явлением понимают невозможность абсолютно точно одновременно измерить координаты (положение в пространстве) и импульс (в классической механике это масса, помноженная на скорость) элементарной частицы или, например, атомного ядра. Точность измерения того и другого ограничена постоянной Планка (о ней – ниже). Дело не в том, что у нас плохие приборы, и когда-нибудь мы будем делать измерения абсолютно точно. Это – фундаментальное ограничение, не зависящее от нашей аппаратуры. Так устроена природа.

Как это выглядит в реальном эксперименте? Представьте, что вы фотографируете элементарную частицу. Если вы выберете самую короткую выдержку, то сделаете прекрасный, четкий снимок, по которому с высокой точностью можно измерить положение частицы. Но понять, куда она движется и с какой скоростью, нельзя – это же просто точка. Переходим к плану Б – делаем выдержку длиннее, получаем размытый снимок, по которому видно, что за время нашей съемки частица прошла некий путь из одной точки в другую. По такой фотографии мы легко определим скорость частицы, а зная ее массу, то и импульс. Вот только из-за размытости снимка координату точно определить уже не получится. Чем длиннее выдержка, тем больший путь сделала частица и тем точнее мы измерим импульс. А вот точность измерения координат будет падать.

Принцип неопределенности не ограничивается связкой «импульс-координата». Точно такая же картина будет наблюдаться, например, в паре «время-энергия». И хотя популяризаторы науки про неё говорят реже, но физики эту связку используют намного чаще, на ней основано множество научных приемов.

Самый яркий пример: без такой неопределенности мы никогда не смогли бы измерить время жизни многих элементарных частиц! Некоторые частицы живут всего 10 в минус 23 степени секунды. Представить, насколько короток этот интервал времени, сложно. Например, свет за это время успевает пройти расстояние, меньшее, чем размер атомного ядра, или одну тысячную от размера атома. Мы бы никогда не построили часы, которые могут отсчитывать столь короткие промежутки времени. И все-таки физики смогли измерить время жизни таких частиц. Нам помогает принцип неопределенности. С помощью ускорителя измеряется масса, измеряется много тысяч раз. В физике масса и энергия эквиваленты (знаменитое E=mc2) — значит, знаем и энергию. Отрезок времени – это время жизни частицы: чем оно меньше, тем сильнее будет отличаться масса в каждом последующем измерении. Вы не ослышались, масса частицы каждый раз разная. Нам остается поделить постоянную Планка на измеренный разброс масс — и готово, мы с хорошей точностью определили время жизни короткоживущей частицы.

Но этим практическое применение принципа неопределенности не ограничивается. Можно решать и обратные задачи: по отрезкам времени определять изменения энергии. Именно благодаря этому эффекту могут существовать «виртуальные частицы». Их наличие приводит к тому, что вакуум в любой части вселенной имеет массу. А еще именно из-за них испаряются черные дыры.

Один профессор МИФИ в сердцах на лекции шутил, что на очень короткое время в аудитории появляются автобус из вещества и автобус из антивещества, они аннигилируют, а мы даже не замечаем. Шутка шуткой, но это не противоречит известной нам науке.

— Поговорим про постоянную Планка. В популярной литературе говорят, что это граница между нашим, четко очерченным, «правильным», миром, и микромиром, напоминающим фантастический сон. Что это вообще за постоянная такая?

— Постоянная Планка – это физическая константа, связывающая, например, длину волны фотона и его энергию. Проще говоря, чем больше длина волны фотона, тем меньше его энергия, а наша постоянная – просто коэффициент пропорциональности. Энергия радиоволны меньше, чем видимого света, а его фотоны менее энергичны, чем рентген. В современной физике постоянная Планка фигурирует наравне с многими другими фундаментальными постоянными, например с Постоянной тонкой структуры. Я бы не стал определять границу между макро- и микромиром по постоянной Планка. Как правило, в нашем «большом мире» мы не видим квантовых эффектов из-за декогеренции.

— А это что такое?

— Представьте, что вы строитель, и у вас есть сверхпрочные кирпичи (кванты стройки). Собрать из них что-то меньше размера кирпича не выйдет, они же не колются. Собрать объект размером в полтора кирпича тоже не получится. А вот дом из них можно собрать практически любой формы, где-то играя зазором, где-то количеством раствора. То есть неделимость (квантованность) строительного материала становится заметна с уменьшением размера того, что ты строишь. Где в этом примере грань между микро- и макромиром, решите для себя сами.

— Могут ли все-таки законы микромира проникать в наш мир?

— Один из главных законов микромира — это уже упомянутая нами квантованность. Например, спутник может вращаться вокруг нашей планеты на великом множестве орбит, он может спуститься на метр ниже, выше, он мало чем ограничен. А вот электрон в атоме должен иметь строго фиксированную орбиталь, на которой у него будет фиксированная энергия. Чтобы возбудить атом и перенести электрон на более высокий энергетический уровень, ему нужно передать энергию, строго равную разнице между орбиталями. Никакую другую энергию атом не воспримет. По этой причине, кстати, стекло прозрачно – свет не может поглотиться его атомами, энергии фотонов видимого света не соответствует ни один электронный переход в стекле.

Обычно квантовые эффекты хорошо заметны в макромире при сверхнизких температурах. В теплом веществе атомы двигаются, электроны находятся в возбужденных состояниях, энергетические уровни заметно размыты. А вот при температурах около нуля по Кельвину (-273,15 градуса Цельсия) атомы покоятся, возбуждения нет, и ведут они себя все одинаково. Вещество в таких условиях может отдать или принять строго фиксированную долю энергии. Например, холодная жидкость не теряет и не принимает энергию от трения, потому что её недостаточно для возбуждения «замерзших» атомов. Возникает явление сверхтекучести, очень важное в современной технике. Наряду со сверхпроводимостью, это наглядные примеры проявлений квантовых эффектов в нашем мире. В каком-то смысле техника уже размыла границу между мирами, и человек применяет эффекты «странного мира» в своей повседневной жизни.

— Могут ли существа из другого измерения прийти к нам?

— Не стоит понимать другие измерения буквально. Экспериментальные данные не свидетельствуют о существовании новых измерений. В большинстве теорий они появились как удобный математический трюк, позволяющий элегантно решать сложные задачи. Многие из них решаются при условии, что измерений бесконечное количество. Но даже физики-теоретики не теряют связь с реальностью. И все подтвержденные теории в конечном счете проецируют множество «дополнительных» измерений на понятные нам: длину, ширину, высоту и время.

Как представить себе дополнительные измерения? Вообразите, что издалека вы видите шланг. Он вам кажется одномерным – обладает только длиной. И лишь подойдя вплотную, вы замечаете, что он не просто объемен, но обладает цветом, запахом и многими другими свойствами (измерениями). Поэтому не стоит уподоблять человечество «червяку на плоском столе», который не способен разглядеть новые измерения. Мы видим достаточно, а введение новых пространств так и остается лишь удобным методом решения задач.