О квантовой механике, ч.3

...

Это также гарантирует взаимодействие света и материи.

Возможно, вы сейчас находитесь где-то в этом мире, и вас бомбардируют фотоны. Например фотоны от нашей звезды и сегодня мы понимаем, как свет взаимодействует с материей и это взаимодействие происходит не как попало, оно квантовано - атомы могут поглощать энергию фотонов (световых квантов) только определенными порциями. Все работает не как-то, а все четко определено.

Откуда мы это знаем?

Из спектров излучения различных атомов, - небольшая пометка на полях от астронома - из спектров звёзд. В них мы видим линии: эмиссионные линии - когда происходит выход излучения, или абсорбционные линии - когда происходит поглощение излучения. Тёмные линии - линии абсорбции, светлые линии - линии эмиссии.

Они очень точно распределены по всему спектру в зависимости от элемента, который они отображают, будь то водород, гелий или кислород.

В зависимости от элемента в наличии находится разное количество электронов. Вы знаете, что в атоме количество электронов точно соответствует количеству протонов, поэтому атомы электрически нейтральны и в зависимости от того, сколько электронов содержит элемент, существуют различные количественные варианты поглощения или излучения энергии. Собственно поэтому существуют спектральные линии.

Они позволяют точно посчитать энергию атома, вычислить сколько энергии было поглощено или испущено. Это означает, что у нас есть взаимно однозначное соответствие... Возьмём нашу звезду, лучшую звезду из всех - Солнце. Мы смотрим на её спектр и видим много спектральных линий... И все они могут быть поняты (интерпретированы) при помощи квантовой механики (КМ).

КМ-ческие правила устройства атомов, из-за чего они вообще стабильны, появились благодаря Приципу Неопределенности Хайзенберга (флуктуации на низовом уровне): волны и частицы... частицы ведут себя как волны, световые волны ведут себя как частицы. Такое постоянное "туда-сюда".

В зависимости от того, какой тип взаимодействия происходит проявляются или свойства волны или свойства частиц, и это всё можно перепроверить на космических объектах!

Квантовая механика - это теория очень, очень, очень, очень, очень маленького, очень маленького, сверх всякой меры маленького, а закономерности, которые мы открыли в лабораториях, мы находим в очень, очень, очень, очень, очень больших объектах, например, в Солнце, а это огромный газовый шар с радиусом в 700000 км...

А это означает... - надо позволить этому раствориться на языке - это означает, что мы действительно кое-что поняли об этом мире.

Квантовая механика, сколь бы сложной она ни была в деталях, открыла нам возможность понять, как устроен этот мир в целом. Природе нужна только одна физика, а не разные, и квантовая механика является частью этой физики.

Как вы думаете, когда теория действительно убедительна?

Есть научные теоретические критерии: например, что теория должна делать предсказание, и если предсказание действительно происходит в эксперименте, тогда теория хороша. Другие говорят, что ваша теория просто должна работать.

Я хочу дать здесь новое определение успешной теории, теории - с помощью которой можно заработать реальные деньги! И квантовая механика - одна из таких теорий! Квантовая механика приносит 30 процентов мирового национального продукта, а теория, с помощью которой можно заработать столько денег, просто обязана быть верной.

Итак, как ученый, я ничего не говорю об истине. Правда (Истина) - это термин, не используемый в естествознании. Мы можем только верифицировать, мы можем выяснить, если что-то не так. Что касается квантовой механики, я должен сказать, что в действительности она вовсе не кажется неправильной, напротив, она кажется очень, очень близкой к слову, которое мне, как физику, не разрешено произносить, так как истина (правда) к физическим исследованиям не имеет никакого отношения.

Квантовая механика - это теория, которую мы можем наиболее точно измерить в лаборатории. Но, как я уже сказал, квантовая механика допускает совершенно разные вещи. Она позволяет разрабатывать технологии и зарабатывать деньги с помощью этих технологии. Вся цифровая электроника на этой планете - квантово-механическая. Каждый лазер, каждый лазер - это квантово-механическая машина.

На всякий случай я надеюсь, что это не обязательно, но если вам нужно пройти обследование, и вы столкнулись с системой ядерного спинового резонанса, или если вы даже хотите знать, что происходит в вашем мозгу, и вы делаете позитронно-эмиссионную томографию или если вас просвечивают с помощью рентгеновского аппарата, знайте - все это квантово-механические машины.

Но ещё не предел!

Когда вы вдыхаете и выдыхаете естественным образом - вы поглощаете частицы, много частиц, чистый азот и кислород... они поглощаются нашей кровью особым образом, о котором я даже не хочу говорить, потому что это довольно сложно. Но если вам нужен ответ на каждый вопрос, тогда посмотрите, как ваша кровь поглощает кислород, вы будете шокированы! Так что удивляться - это всегда может быть полезно, даже одной кровеносной системой.

Что крайне важно: молекулы кислорода, поглощаемые вами, обладают одним из наиболее важных, одним из важнейших квантово-механических свойств частиц - они неотличимы друг от друга.

Молекула кислорода здесь, на Земле, и молекула кислорода где-то на краю Вселенной полностью идентичны.

Нет отличий.

Квантово-механические частицы не обладают индивидуальными свойствами.

Вдохните очень глубоко, и заметьте, как частицы, которые вы поглощаете, реагируют в соответствии с очень конкретными законами природы, которые являются квантово-механическими.

Если бы это было не так, то мы вообще не могли бы дышать.

Только представьте себе такую частицу, которая, как и мы, находится то в плохом настроении, то в хорошем, а способность кислорода связывать будет зависеть от его настроения - мы бы либо сгорели, либо задохнулись.

Итак, в нас также протекают элементарные процессы на уровне частиц, которые являются квантово-механическими. Тот факт, что мы можем даже думать о том, что квантовая механика может ошибаться, на самом деле восходит к квантово-механическому процессу. При этом я не сказал, что наш мозг - это к.механический компьютер.

Нет, нет, нет, нет...

Так много частиц в мозгу homo sapiens... - это не квантово-механическое устройство...Частицы так сильно вляют друг на друга, что не остается никаких квантово-механических свойств. Все суперпозиции исчезают и именно поэтому наш мозг остается там, где он есть, и именно поэтому мы тоже там, где находимся, потому что мы состоим из множества частиц.

Квантовая механика становится тогда интересной, когда объект можно тщательно изолировать от внешного мира - хорошенько охладить до крайне низких температур или когда мы рассматриваем частицы по отдельности. Тогда квантовая механика интересна. Тогда она становится очевидной. Однако, как только подключается окружающая среда (мир), как только воздествует излучение в большом количестве, мир немедленно становится классическим.

Рассмотрим как сегодня функционирует квантово-механическая технология - лазер.

Лазер - light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»

И что там в лазере происходит, собственно?

Вы заставляете миллиарды и миллиарды электронов делать одно и то же одновременно.

Выражаясь словами квантовой механики - вы поднимаете их на другой энергетический уровень - из базового состояния электроны перепрыгивают на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаются (падают) из него либо в более низкое энергетическое состояние, либо в базовое.

И делают они все это одновременно! Идеальный коммунизм!

И, внимание каламбур - поэтому луч лазера красный!

Конечно, есть и зеленые лазеры, но большинство - красные. Легко запомнить.

Предпосылки для этого акта, для этого усиления света посредством стимулированного излучения, заключаются в том, что все электроны материала должны получить точное количество энергии для достижения определенного энергетического состояния, чтобы они затем все вместе прыгали с него вниз.

Это означает, что состояния электронов в атоме имеют определенную продолжительность жизни.

Один из наиболее важных основных законов материи в этой Вселенной - возбужденные состояния на самом деле предпочитают, чтобы их снова высвободили из возбуждения как можно быстрее - если электроны находятся на высоком энергетическом уровне, имеют высокие гармоники, регулируется это падением на базовый энергетический уровень.

И когда они "падают" с одного энергетического уровня на другой, излучается фотон.

Да, квант света и именно квант света, который находится в атомах между этими двумя уровнями как разность энергий.

Так работают сегодня лазеры. Так же генерируются лучи в рентгеновских аппаратах.

Теперь посмотрим очень внимательно на то, что происходит с органическим веществом. Рентгеновские снимки вам всем знакомы, нет проблем. Однако, позитронно-эмиссионная томография - это нечто особенное. Нам вводят радиоактивный элемент, во время радиоактивного распада которого высвобождаются частицы, так называемые позитроны, которые являются частицами антивещества.

Это положительно заряженные электроны - я бы сказал, это состояние квантово-механического безумия.

И эти позитроны показывают, например, какие действия происходят в моем мозгу - есть ли сгущения, которые фактически могут быть представлены деятельностью клеток и так далее.

Итак, магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография, все эти цифровые электронные устройства могли быть разработаны только с идеей о том, что переходы энергии в материи происходят порционно - квантованы.

Если бы эту теорию нельзя было проверить в лаборатории, большая часть современного мира была бы сегодня невозможна. Техническое преобразование базовых знаний в реализацию машин для информационных циклов и т. д. нигде не было бы так хорошо реализовано, как в КМ.

Само по себе это влияет на то, как мы работаем с молекулами, например, на генетику - в случае манипуляции большими молекулами - даже здесь всегда звучат квантово-механические соображения. Поскольку весь мир состоит из атомов, а атом является, в некотором роде, величайшим открытием двадцатого века, вы имеете дело с теорией, описывающей все, что в мире есть, но только на фундаментальном уровне.

Квантовая механика объясняет строительные блоки, из которых состоит мир.

Она не объясняет мир, извините. Я тоже не могу объяснить мир. Я могу только объяснить, в какой момент квантовая механика действительна, а когда она больше не действует.

Выяснилось, что важность квантовой механики заключается в том, что она прояснила что представляют собой элементарные строительные блоки этого мира и как можно реализовывать различные технологии, разработанные с помощью этих знаний - гимн квантовой механики.

Но это еще не все.

КМеханическая технология также может быть использована для производства оружия. Осознание того, что материя состоит из атомов, что существуют разные атомы разных элементов, что некоторые элементы распадаются радиоактивно, и что этот радиоактивный распад может быть осуществлен даже технологически, в 1940-х годах двадцатого века привело к развитию, которое в космическом/глобальном контексте я бы определил как значительное.

Планета номер три в солнечной системе определила, какие огромные силы находятся в ядрах атомов. Когда они высвобождаются, у вас появляется оружие - атомная бомба, которая в принципе открывает возможность полностью уничтожить все живое на планете.

Итак, с применением кмеханики была открыта дверь к ядру атома, можно даже сказать ящик пандоры, к плотности энергии, реальной плотности энергии (когда в очень, очень маленьком объеме сжимается такое огромное количество энергии до плотности, являющейся нечеловеческой в самом прямом смысле этого слова).

После дальнейших разработок они открыли гораздо худшую форму энергии - путем синтеза атомных ядер они создали водородную бомбу, взрывная сила которой намного выше, чем у атомной бомбы.

Итак, как живые существа, узнавшие что-то о мире, мы находимся в амбивалентной ситуации. С одной стороны, эти открытия приводят к тому, что можно разработать фантастические машины, отличные методы медицинского обследования, при которых уже можно отобразить чрезвычайно небольшие физические изменения, даже, возможно, однажды понять что-то о том, как мы думаем и почему мы думаем именно так. С другой стороны, у нас также есть возможность уничтожить себя.

То есть такое знание, которое есть в квантовой механике, показывает нашу двоякую... да, нашу двоякую характеристику как живого существа -мы можем делать хорошие дела и мы можем творить ужасные вещи.

Мой перевод выступления Харальда Леша