Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком

© Катрина Арье, текст, 2024

© Виктория Бортник, иллюстрация на обложку, 2024

© Мария Высочкина, иллюстрации, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Квантовая физика – это удивительная и таинственная наука. Всё, что связано с микромиром, кажется нам очень сложным. Микромир не поддаётся привычной логике. Как рассказать о нём понятным для всех языком? Как понять смысл законов квантовой физики, не используя формул? Перед вами, читатель, такая книга. Это живой, увлекательный рассказ об основах нашего мира. Книга наполнена забавными историями из жизни физиков, научным юмором и наглядными примерами, показывающими, как законы квантовой теории можно применять в обычной жизни. После её прочтения вы можете поменять свои представления о реальности.

Доктор психологических наук /D.S. (psychology)

Доктор экономических наук /D.S. (economics)

Профессор, PhD

Учёный секретарь «Академии социальных технологий» РФ

Алексей Ситников

Благодарности

Выражаю искреннюю благодарность

студентам моей школы квантовой физики, вы для меня неиссякаемый источник вдохновения, новых идей и гордости за ваши результаты;

моей семье, ваша любовь и вера в меня бесценны: вы все истинные соавторы моей книги.

И особая признательность моим кошкам, ваше мурлыканье на моих коленях сделало написание книги таким лёгким, радостным и уютным!

Введение

Для чего не-физику нужна квантовая физика

Физика – как секс: может не давать практических результатов, но это не повод ею не заниматься.

Ричард Фейнман, один из создателей квантовой теории

«Ей надо рассказывать о квантовой депиляции и делать курсы о квантовом воспитании детей, а не говорить о квантовой физике», – писала обо мне в соцсетях известная коуч, квантовый психолог. И я задумалась. Ведь и в самом деле мой карьерный путь не похож на традиционный для учёного.

Вначале всё казалось предопределённым – буду заниматься всю жизнь только физикой. Я родилась в Москве, вся моя семья – физики и математики. Мои первые воспоминания – о том, как дедушка рассказывает мне об образовании Вселенной (да, детские сказки мне почти не читали). Я училась в лучшей физико-математической школе Москвы (Вторая школа) и легко поступила на физический факультет МГУ. Выбрала быть физиком-ядерщиком, специализировалась на квантовой физике. Окончила университет с красным дипломом и работала на ускорителях высоких энергий. И затем всё поменялось.

Квантовая физика – это самый сложный для понимания раздел физики. Это серьёзная наука, теоретическая основа ядерной физики. Наука, которая изучает устройство и поведение атомов, взаимодействие элементарных частиц. Благодаря открытиям в квантовой физике у нас есть атомные электростанции, лазеры, МРТ, мобильные телефоны и даже тостеры. Но не только это. Именно квантовая теория, парадоксальная и неоднозначная, заставляет учёных и философов думать об устройстве Вселенной, о влиянии сознания наблюдателя на реальность. Изучая квантовую теорию, вы обязательно встретитесь не только с физическими, но и с философскими и психологическими понятиями.

Квантовая физика меняет классические представления о реальности и до сих пор во многом остаётся непонятной для большинства.

Один из отцов-основателей квантовой физики Нильс Бор сказал: «Тот, кто не был потрясён при первом знакомстве с квантовой теорией, очевидно, просто ничего не понял».

И надо сказать, именно философская часть в квантовой физике меня интересовала больше всего. Ещё студенткой я увлечённо делилась своими мыслями со всеми окружающими, но меня мало кто понимал. Сейчас думаю, что это была профессиональная деформация. Я говорила сложными терминами, считая, что их все знают. Я думала, что все имеют представление о парадоксе Розена – Подольского, а уж о корпускулярно-волновом дуализме – тем более. «Ну не понимают, и ладно», – подумала я и продолжила свои дискуссии только с друзьями-физиками, а чаще – сама с собой.

И вот я огорошила семью, заявив, что больше не хочу заниматься наукой. У меня было чувство, что весь мир открыт и зовёт меня. Мне хотелось многое в жизни попробовать, а не сидеть только в библиотеках и лабораториях.

Я сделала неплохую карьеру в маркетинге. Много путешествовала, родила и воспитываю троих детей, танцую танго и балет, живу с семьёй в разных странах. А ещё изучала психологию, НЛП, буддизм и даже каббалу. Но чем бы я ни занималась, я никогда не забывала о квантовой физике. Её законы описывают, чем же является та реальность, в которой мы существуем.

Несколько лет назад квантовая физика опять вошла в моду, но уже в новом виде. Вслед за Нобелевскими премиями по физике, многие из которых давались за открытия в области квантовой теории, появились квантовые психологи, квантовые разборы. Повсеместно стало использоваться понятие «квантовый скачок» (я расскажу о нём позже). Сейчас многие считают квантовую физику не серьёзной наукой, а некой эзотерической теорией и утверждают, что из квантовой физики следует, будто они могут посылать свои желания в «квантовые поля» и «Вселенная» обязательно их исполнит [1].

Мне стало обидно за физику. И я начала в соцсетях объяснять, что же это такое – квантовая физика, почему она всем так интересна. За годы, которые я провела вне формальных научных институтов, я научилась говорить понятным, без научных терминов, языком. Моё первое видео, снятое для YouTube, – о нелокальности – неожиданно собрало более 200 тысяч просмотров за месяц. И я поняла: о квантовой физике точно надо рассказывать.

Вместе с теорией относительности квантовая физика описывает наш мир. Всё, что происходит во Вселенной, объясняется ими двумя. Да-да, любые другие теории всего лишь частные случаи этих двух. Теория относительности рассказывает о движении крупных тел и о больших скоростях. А квантовая физика говорит о микромире, она – своеобразный код к конструктору нашей реальности.

Все науки можно разделить на физику и коллекционирование марок.

Альберт Эйнштейн, создатель теории относительности

Недавно была решена одна сложная задача, и Нобелевскую премию по физике в 2022 году дали за доказательства неравенств Белла. Если кратко, неравенства Белла – это о том, что мы не можем точно описать все процессы, происходящие в мире. И не потому, что у нас нет формул или наши приборы несовершенны, а просто потому, что мир в основе своей непознаваем.

«Самое непостижимое в мире – это его постижимость», – писал Эйнштейн в своём знаменитом эссе в 1936 году. Как учёные создают свои теории? Ведь всё, что происходит вокруг, довольно нелогично. Очень многое мы не можем объяснить. И всё же на фоне такой путаницы с завидной регулярностью проступают законы этого мира. Солнце всегда садится на западе. Вода при кипении превращается в пар. Если рядом с вами упадёт дерево, вы услышите звук падения… Это не исключения из анархии жизни, а проблески лежащего в её основе порядка. Это и называется физикой.

В 1869 году Дмитрию Менделееву во сне пришла идея упорядочения химических элементов. Так появилась известная сегодня Периодическая система химических элементов – таблица Менделеева. Она показывает, что в свойствах элементов есть периодические закономерности – из хаоса вдруг появляются порядок и предсказуемость. Все известные элементы легко вписались в эту таблицу, однако в ней оставались пустые места, которые позже заполнили открытые элементы с предсказанными Менделеевым свойствами.

Наука даёт вам возможность находить порядок и правила в любых незнакомых процессах. Это и есть развитие адаптивного интеллекта – основы преуспевания в современном мире.

В этом нет ничего удивительного. Квантовая физика всеобъемлюща, она проникает во все сферы жизни. Она открыла нелокальность, принцип неопределённости, туннельный эффект и много других странных законов. Удивительно, что все они перекликаются с древними даосскими и буддистскими учениями, говорящими, что окружающий мир – это иллюзия, майя, игра божественного воображения или картина, нарисованная наблюдателем. И возможно, квантовые эффекты играют огромную роль в работе нашего сознания… В книге я расскажу об этом.

Вы узнаете основные законы квантовой физики, модели мироустройства и то, как всё это связано с философией, религией и психологией. Это ведь удивительно и интересно, не так ли?

Кроме того, по опыту учеников моих курсов знаю, что, прочитав книгу, вы перенастроите мышление, получите новые для вас инструменты решения жизненных задач, сможете делать правильный выбор в сложных ситуациях.

Если увлекаетесь эзотерикой, вам тоже будет очень полезно знание основ квантовой теории: вы найдёте много интересных для себя пересечений.

И кстати, физики очень любят шутить! Поэтому в книге много научного юмора, мемов и забавных историй, приключившихся с учёными.

В конце каждой части я разместила задания, ведь знания квантовой физики можно – и нужно! – применять в жизни. Используйте хештег #арьекнига в соцсетях, и будем вместе обсуждать интересные идеи.

Моя миссия – показать, что квантовая физика увлекательна, интересна и очень полезна. О ней можно рассказывать простыми словами, как и найти много параллелей с её законами в нашей жизни. Я приглашаю вас в увлекательное научное приключение!

#физикишутят

Учёный язык

– Папа, я хочу на завтрак кукурузные хлопья. Неужели и сегодня овсянка?

– Да. Мама выдвинула предположение, что ввиду похолодания будет полезно повысить температуру твоего тела путём поедания тобою овсянки. Кроме того, ввиду вышеупомянутых температурных условий твои связанные бабушкой перчатки и пальто с тёплой подкладкой и капюшоном, несомненно, должны быть надеты.

– Можно посыпать овсянку сахаром?

– Отсутствие сахара в сахарнице, имеющейся в нашем распоряжении, отмечалось некоторое время назад папой. Однако в настоящее время очередная доза этого вещества доставляется мамой из кухни, где оно хранится в специально приспособленном контейнере.

– Папа, я не хочу сегодня в школу. Не каждый же день туда ходить!

– Несколькими исследователями было независимо показано, что недостаток школьного образования может впоследствии отрицательно повлиять на способность индивидуума зарабатывать деньги. Кроме того, другие папы сообщали, что, в частности и в особенности, та школа, которой папа платит деньги, является очень хорошей. Другим фактором, который необходимо принимать во внимание, является относительная свобода, которой мама пользуется днём в твоё отсутствие, в силу чего у неё имеется возможность уделять внимание лишь беби и себе самой.

– Но зачем туда ходить каждый день?

– Предыдущее высказывание по данному вопросу игнорируется полностью. Создаётся впечатление, что в этот момент ты не слушал. Доводы настоящего оратора сводятся к следующему: при отсутствии преимуществ в образовании, которые обеспечиваются регулярным посещением нормальной школы, могут наблюдаться пробелы в знаниях, а этот недостаток, в свою очередь, может привести к бедствиям, проистекающим из недостаточности денежных резервов [2].

И так далее…

Ничего не скажешь, устрашающая беседа. Вы, конечно, можете возразить, что ни один нормальный человек так не говорит. Верно. Никто не говорит так за обеденным столом, но как только речь заходит о фотонах или генах, многие учёные автоматически переходят именно на такую тарабарщину.

Часть 1

Загадочные кванты

Глава 1

Частицы

Чтобы изучать законы квантовой физики, нужно понимать её основные термины. Из этой главы вы узнаете, что такое частицы, волны и поля. Что‑то вы вспомните из школьной программы, а что‑то будет новым. Не пролистывайте этот материал, ведь на полученных знаниях основывается вся книга!

Что такое атом

Греческий философ Демокрит (460–370 гг. до н. э.) первым предположил, что существуют атомы.

Атом (др. – греч.) означает «неделимый».

Атомы – это кирпичики, из которых строится любое вещество. Во времена Демокрита атомы считались неделимыми, самыми малыми частицами, но сейчас мы знаем, что это не так. У атома есть строение.

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро атома тоже является делимым – оно состоит из протонов и нейтронов. У нейтронов нет заряда. У протонов положительный заряд, а у электронов – отрицательный. Обычно количество протонов и электронов в атоме одинаковое. Поэтому общий заряд атома равен нулю.

В школе вам говорили, что эти частицы (протоны, нейтроны и электроны) и есть самые малые частицы. Но это не так. Только электрон неделим, а протоны и нейтроны состоят из кварков, и по-настоящему элементарные частицы – это кварки.

Кварков существует шесть типов, и у них очень забавные названия: странный, очарованный, нижний, верхний, прелестный, истинный. Да, у физиков хорошее чувство юмора.

В книге я не буду подробно останавливаться на классификации элементарных частиц, это не столь важно для понимания законов квантовой физики.

Интересно, что масса ядра атома составляет более 99,9 % массы атома. Поэтому масса атома сосредоточена в его ядре. А электроны очень лёгкие.

Если возьмём 1 грамм электронов и расположим каждый из них на прямой линии рядом друг с другом, то они образуют цепочку длиной в 4 миллиарда километров!

Все существующие электроны абсолютно идентичны. Вы не найдёте различий, если я поменяю два из них местами. Мои электроны точно такие же, как и ваши, а те идентичны электронам, например, Марса.

Как понять, сколько электронов в атоме?

Надо посмотреть в таблице Менделеева. В ней у каждого элемента есть порядковый номер, он написан в правом верхнем углу. Число протонов и число электронов в атоме равны порядковому номеру элемента. Вверху слева – массовое число, т. е. число нуклонов в ядре (протоны + нейтроны); внизу слева – заряд ядра, т. е. число протонов.

Кстати, в других странах таблицу Менделеева называют просто периодической таблицей элементов, и многие даже не слышали о том, что её изобрёл русский учёный Дмитрий Менделеев. Считаю это большой несправедливостью.

Размер атома

Теперь перейдём к размеру атома.

Вы знаете, что атомы маленькие. Но насколько они маленькие?

Если увеличить монетку в пять копеек до размера Земли, то атом в монетке будет равен по размерам настоящим пяти копейкам.

Или можно сказать так: в одном стакане воды содержится больше атомов, чем число стаканов воды, необходимое для наполнения всех морей и океанов мира.

Какие размеры у частиц атома?

Размер ядра атома более чем в 10 тысяч раз меньше самого атома. А размер электрона и того меньше. Если рассматривать электроны, протоны и нейтроны как частицы, то атом практически пуст.

Почти всё вокруг состоит только из электронов, протонов и нейтронов.

Если бы мы убрали всё пустое пространство между элементарными частицами внутри людей, то мы все – всё человечество – поместились бы в мандарине.

Мы – люди и все предметы вокруг – представляем собой практически пустое пространство. Мы призраки.

Глава 2

Волны

Волны – это процесс распространения колебаний с течением времени.

Параметры волн:

• амплитуда (А) – это максимальное отклонение от положения равновесия (например, амплитуда морской волны – это её высота);

• период (Т) – это время полного колебания;

• частота – это число колебаний в единицу времени.

Важно помнить: волны переносят энергию, но не переносят вещество.

Например, на поверхности воды лежит небольшой листок с дерева. Если бросить в воду камень, от него во все стороны начнут распространяться волны. Дойдя до листка, они не потянут его в направлении движения волн, а просто заставят совершать колебательные движения вверх и вниз. Форма воды будет меняться благодаря энергии от удара камня, но течение не возникнет.

Примеры волновых процессов в природе: колебание струны, дрожание желе, звук и, конечно, электромагнитные волны.

Идею прослушивать пациенток через трубку (это звуковые волны) пришла в голову врачу Рене Лаэннеку в 1816 году, потому что он стеснялся прижиматься к женской груди на каждом приёме.

Шкала электромагнитных излучений и видимое излучение

Электромагнитные волны пронизывают всё пространство вокруг. Очень многие физические процессы отличаются друг от друга всего лишь длиной волны. Это радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения и ещё опасные для человека рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Низкочастотные волны и радиоволны используются для радиосвязи, космической связи, телепередач.

Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, без которого не было бы жизни. Его основной источник – Солнце, как и для ультрафиолетового излучения. В больших дозах эти излучения могут быть опасными.

И по-настоящему опасные волны – рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Рентген используют в криптографии, а ещё с его помощью можно увидеть, что находится внутри человека.

Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, у него высокая проникающая способность из-за малой длины волны. При авариях на АЭС именно оно причиняет так много вреда окружающему пространству.

На рисунке есть тонкая полосочка – это видимое излучение. Мы видим очень малую часть того, что происходит вокруг. Многие другие живые существа видят гораздо больше нас. Например, орлы и пчёлы видят ультрафиолетовый спектр.

В детстве я задумывалась: как бы выглядела наша жизнь, если бы мы видели все длины электромагнитных волн? Помогло бы нам это или нет? Большой вопрос.

#физикишутят

Один из создателей термодинамики (наука о передаче тепла), Вальтер Нернст, в часы досуга разводил карпов.

Однажды кто‑то глубокомысленно заметил:

– Странный выбор. Кур разводить и то интересней.

Нернст невозмутимо ответил:

– Я развожу таких животных, которые находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – значит, обогревать на свои деньги мировое пространство.

А у вас есть не связанное с работой увлечение, которое демонстрирует вашу экспертность?

Глава 3

Взаимодействия

Взаимодействие – это вообще главное, что изучает физика. Исследуя вещество, явление или предмет, мы всегда сталкиваемся с тем, что они взаимодействуют с окружающим миром.

Вместо «Я мыслю, следовательно, я существую» физик бы сказал: «Я взаимодействую, следовательно, я существую».

Даже когда мы просто смотрим на предмет, он облучается фотонами (волной света). Фотоны от него отражаются и попадают нам в глаз. И наш глаз по углу отражения и длине волны может составить представление о форме этого предмета и о его цвете. Помните, что цвет предметов – это лишь длина волны, которую предмет отразил, а мы уловили.

В мире существует всего четыре вида взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

Хотя это самая слабая сила, она наиболее нам знакома. Из-за неё люди могут находиться на Земле, а планеты – вращаться по орбите вокруг Солнца.

Сила гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Поскольку Земля – ближайший к нам из самых крупных объектов, то все предметы притягиваются к ней.

Если бы не было гравитационного взаимодействия, то из-за отсутствия центростремительной силы люди оторвались бы от Земли и улетели бы в открытый космос со скоростью 436 м/с. Огромная скорость, не правда ли? Гравитация играет важнейшую роль в нашей Вселенной, в нашей жизни вообще. И вместе с тем это самое слабое взаимодействие (посмотрите на таблицу!).

Фундаментальные физические взаимодействия

Гравитационное взаимодействие объясняет теория относительности. А квантовая теория описывает три оставшихся вида взаимодействий.

Сильное взаимодействие

Участники сильного взаимодействия – протоны и нейтроны. Это та сила, которая удерживает вместе составляющие этих частиц (кварки) и всё ядро атома. Это мощное, самое сильное взаимодействие. Оно работает только на очень коротких расстояниях, крошечных, как ядро атома. И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется радиоактивным распадом.

В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Некоторые атомы радиоактивны, однако в большинстве случаев это для нас не опасно. Например, банан содержит калий‑40, в грамме которого происходит 32 ядерных распада в секунду. Природный уровень радиации выше среднего у картофеля, орехов и семечек подсолнечника.

В атомной бомбе «Малыш», которая была сброшена на Хиросиму, содержалось около 700 граммов урана‑235. И всего лишь 0,6 грамма вещества было превращено в энергию, создавшую такие ужасные разрушения. Представьте, насколько мощным является сильное взаимодействие.

#физикишутят

Забавно, что люди благодаря философии «в жизни надо попробовать всё» начинают пробовать наркотики, а не изучать ядерную физику, например.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие электрически заряженных частиц. Носители этого взаимодействия – фотоны.

Фотоны – это безмассовые частицы, которые двигаются со скоростью света и являются самыми распространёнными частицами во Вселенной. Луч света (это поток фотонов) доходит от Солнца до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды до Земли – за 472 года, т. е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба. И вообще, то, что мы видим в ночном небе, – это давно прошедшие события.

Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, работает на бесконечно больших расстояниях. Оно намного сильнее гравитационного, но не проявляется в космических масштабах, поскольку материя электрически нейтральна (в каждой области Вселенной количество положительных и отрицательных зарядов примерно одинаково).

В обычной жизни мы постоянно сталкиваемся с электромагнитным взаимодействием. Действие большинства современных приборов и бытовой техники основано на электромагнитном взаимодействии.