По пунктам:
- Почему квантовую физику так сложно объяснить?
- Как это выглядит на примерах?
- Если квантовая механика прекрасно описывает систему мироздания в целом, почему тогда мы не наблюдаем эти принципы в повседневной жизни?
- Насколько сложно заниматься квантовой физикой, учитывая, что в ней все процессы действуют по контринтуитивным и непредсказуемым правилам?
- Чем конкретно занимаются ученые, изучающие квантовую физику?
- Насколько применимы результаты таких исследований на практике?
- Какие открытия последних 20-30 лет стали самыми главными?
- Какие открытия могут ждать нас в будущем?
- А что насчет квантового компьютера?
Почему квантовую физику так сложно объяснить? В чем базовые отличия физики микро- и макромира?
Один из самых главных постулатов квантовой механики состоит в том, что если система может находиться в состояниях А и Б, то она может находиться и в любых промежуточных состояниях, являющихся комбинациями А и Б. В привычном же нам повседневном опыте мы наблюдаем такую картину мира, в которой каждый объект характеризуется каким-то состоянием — и если он в нем находится, то в другом состоянии он находиться не может.
Как это выглядит на примерах?
Телефон не может одновременно лежать на столе и где-то еще, а самолет не может одновременно двигаться со скоростью 450 км/ч и 800 км/ч. Но экстраполяция этого привычного нам понимания порядка вещей на микромир показала, что на глубинном уровне эти базовые физические правила не работают, ими нельзя объяснить никакие экспериментальные данные. Если в рамках привычной нам парадигмы — классической электродинамики — мы попытаемся описать атомы, то выяснится, что существовать они не могут. Если у вас есть две заряженные частицы, они, конечно, могут вращаться вокруг общего центра масс, по аналогии с тем, как Земля вращается вокруг Солнца. Но проблема в том, что электрон, вращаясь вокруг ядра, очень быстро бы на него упал, излучив всю энергию. Выходом из этой ситуации является отказ от некоторых привычных и очевидных нам представлений.
Если квантовая механика прекрасно описывает систему мироздания в целом, почему тогда мы не наблюдаем эти принципы в повседневной жизни?
Объяснение кроется в понятии «декогеренция». Декогеренция возникает при взаимодействии квантовой системы с окружающей средой — при этом в нее проникает хаос неопределенности состояния окружения, что неконтролируемо изменяет само состояние квантовой системы. В качестве примера можно привести известный всем «эффект наблюдателя» — даже пассивное наблюдение за квантовыми реакциями, может фактически изменить результат измерения. Именно эта концепция объясняет, почему электрон умеет находиться одновременно в различных точках пространства, а человек — нет, т.к. человек непрерывно находится в контакте с окружением.
Насколько сложно заниматься квантовой физикой, учитывая, что в ней все процессы действуют по контринтуитивным и непредсказуемым правилам?
Заниматься квантовой физикой — то же самое, что и классической. Например, электромагнитные волны в зависимости от своей частоты ведут себя настолько по-разному, что не-физику может показаться очень странным, что все это ― стороны одного и того же физического явления, отличающиеся лишь одним параметром -- частотой. Радиоволны, с помощью которых мы можем слушать радио, микроволны, с помощью которых мы можем пользоваться сотовой связью или разогреть еду в микроволновке, инфракрасное излучение, рентгеновское и гамма излучения — все это является формами электромагнитного излучения, хотя на первый взгляд все эти явления очень сильно разнятся между собой. Однако, если за этими явлениями наблюдать достаточно долго и плотно с ними работать, в какой-то момент у ученых вырабатывается понимание, как смотреть на весь спектр явлений как на часть единой и стройной картины мироздания.
Чем конкретно занимаются ученые, изучающие квантовую физику?
Как правило, работа физика-теоретика и физика-экспериментатора очень сильно различается. Теоретики могут за всю жизнь не посетить ни одну лабораторию, не видеть ни один эксперимент, и при этом делать потрясающие открытия в области квантовой механики. Например, на заре квантовой механики, в начале 20 века, физики-теоретики придумали огромное количество потрясающих экспериментов, которые нельзя было поставить в то время. Но спустя десятки лет подтвердилось, что все было предсказано правильно. Физики-теоретики прекрасно представляют себе, как устроена экспериментальная установка, как именно на ней работают. Также они очень плотно взаимодействуют с данными, графиками, изображениями, полученными в лабораториях, и строят подходящие теории, чтобы объяснить результаты этих экспериментов.
Насколько применимы результаты таких исследований на практике: можно ли превратить их в технологию, продукт или материал?
Физика не ставит перед собой цели сделать что-то, что человек будет использовать каждый день. Но когда это случается, то происходит очень метко. Например, устройства, которые позволяют нам общаться из разных точек мира, строятся на сложных физических принципах. Поэтому даже та 0,1% открытий, которые доходят до всеобщего применения, настолько преображает нашу жизнь, что мы просто не можем представить, как обходились без этого раньше.
Какие открытия последних 20-30 лет стали самыми главными?
В первую очередь, фундаментальное открытие бозона Хиггса, которое было сделано на Большом адронном коллайдере. Пусть и с оговорками, но оно позволило завершить построение стандартной модели элементарных частиц, которая объясняет свойства нашего мира на самом маленьком масштабе, какой только доступен в настоящее время. Это был последний кирпичик в данной модели, который был предсказан теоретиками задолго до экспериментального открытия. Во-вторых, к главным достижениям можно отнести все разработки в области квантового компьютера, преодоление предела квантового превосходства. И наконец, еще одно значительное открытие — это разработка технологии квантовой связи. Квантовая коммуникация уже вошла в нашу жизнь, она применяется в разных сферах ― например, в банковских и правительственных учреждениях, в том числе и в России.
Какие открытия могут ждать нас в будущем?
На уточнение стандартной модели пришлось потратить 50-70 лет: на строительство очень сложного и дорогого адронного коллайдера ушли годы. Следующий момент уточнения находится уже при столь высоких энергиях, для которых не хватит ускорителя даже размером с целую планету. Поэтому в области экспериментального подтверждения существующих сейчас теорий ученые ждут некоторый застой (сделаем оговорку, что сейчас ведутся поиски суперсимметричных партнеров и аксиона, а также частиц темной материи). С другой стороны, на теоретическом уровне есть еще огромное количество неизведанного. Например, те же теории струн и квантовой петлевой гравитации, как кандидаты на «теорию всего», из-за их математической сложности разработаны достаточно слабо. Поэтому, возможно, скоро появится совершенно новый подход, который окажется гораздо лучше. Также есть надежды на прояснение природы темной материи и темной энергии.
А что насчет квантового компьютера?
Конечно, появление квантового компьютера очень сильно перевернет нашу жизнь. Во-первых, ученым придется переписать многие существующие сейчас алгоритмы шифрования — а значит, все программы, приложения, сайты, способы коммуникаций. Во-вторых, у квантового компьютера, помимо невероятных способностей к дешифрованию, будут и другие полезные применения: например, описание свойств материалов, которые специалисты не могут рассчитывать на обычном компьютере, или поиск лекарств от сложных заболеваний. Возможности квантового компьютера позволят совершить огромный прорыв во всех технических направлениях, а также в области понимания тех вопросов теоретической физики, которые ученые не могут решить сейчас из-за ограничений в вычислительных ресурсах.
