Красота физики. Постигая устройство природы

Третий поднимает вопрос о дополнительности. Получение ответов на различные вопросы может требовать обработки волновой функции различными способами, которые взаимно несовместимы. В этом случае, согласно квантовой теории, невозможно ответить на оба вопроса одновременно. Вы не можете сделать это, даже если каждый вопрос в отдельности будет совершенно законным и будет иметь содержательный ответ. Именно эта ситуация возникает для нашего вопроса о положении и вопроса об импульсе, это называется принципом неопределенности Гейзенберга: вы не можете измерить и положение, и импульс частицы одновременно. Если бы кто-то придумал, как сделать это экспериментально, он бы опроверг квантовую теорию, поскольку квантовая теория говорит, что это невозможно. Эйнштейн неоднократно пытался изобрести эксперименты такого рода, но ему это так и не удалось, и в конечном счете он сдался.

Каждая из этих проблем пленяет воображение, и первым двум из них уделили много внимания. Однако мне кажется, что третья особенно хорошо обоснована и значима. Дополнительность как свойство физической реальности и урок мудрости занимает в нашей медитации важное место.

Хотя я объяснил эти проблемы на примере отдельных частиц, все они проявляются в полной мере и тогда, когда мы задаемся вопросами о более сложных системах.

• Поскольку волновая функция дает нам вероятности, а не точные ответы, мы получим различные ответы, если будем много раз задавать тот же вопрос одной и той же волновой функции. Это тесно связано с той интуитивной моделью, которая мне очень нравится и к которой я часто прибегаю, суть ее в том, что квантовые объекты проявляют спонтанную активность. См. Квантовые флуктуации.

• Многие непрерывные согласно классической физике величины становятся дискретными в квантовой теории. См. Фотон и Спектры.

• И последнее, но никак не менее важное: хотя квантовая теория обычно приводит к вероятностным ответам, она в то же время делает много предсказаний, которые являются совершенно определенными. Например, квантовая механика лежит в основе теорий, предсказывающих спектр водорода, прочность и электрическую проводимость нанотрубок, массы и свойства адронов – причем с удивительной точностью. Все это точно определенные значения, не вероятности. Эти блестящие результаты являются яркими страницами в новейшей истории нашего Вопроса, как это обсуждается в главах «Квантовая красота I», «Квантовая красота II» и «Квантовая красота III».

Квантовая точка

Quantum dot

Физики разрабатывают усовершенствованные методики создания очень маленьких материальных структур со стороной всего в несколько атомов. Эти структуры называют квантовыми точками. Квантовые точки – это, по сути, молекулы, сделанные вручную.

Квантовая хромодинамика (КХД)

Quantum chromodynamics (QCD)

Квантовая хромодинамика, или КХД, является нашей Главной теорией сильного взаимодействия.

КХД привносит много новых идей в описание Природы, включая кварки, цветовой заряд, цветные глюоны, асимптотическую свободу, конфайнмент и струи.

КХД в своей сфере действия дает четкий положительный ответ на волнующий нас Вопрос: воплощает ли мир красивые идеи? А именно КХД воплощает красивый принцип локальной симметрии в необыкновенно богатом контексте пространства свойств сильного цветового заряда.

Квантовая электродинамика (КЭД)

Quantum electrodynamics (QED)

Квантовая электродинамика, или КЭД, является нашей Главной теорией электромагнетизма.

КЭД основана на уравнениях Максвелла в неизменной форме, но интерпретируемых в соответствии с правилами квантовой теории. Это значит, что возмущения в электромагнитном флюиде возникают в виде дискретных единиц, или квантов, – фотонов, а во флюиде наблюдается также самопроизвольная активность – квантовые флуктуации.

Квантовая электродинамика предоставляет твердый и законченный фундамент для «всей химии и большей части физики», как сказал Поль Дирак.

Квантовые измерения

Quantum dimension

Квантовые измерения – это измерения, координаты которых являются грассмановыми числами. Квантовые измерения – это душа суперсимметрии.

Квантовые флуктуации, виртуальные частицы, поляризация вакуума и нулевые колебания

Quantum fluctuation/virtual particle/vacuum polarization/zero-point motion