Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Как может так хорошо работающая теория иметь такие странные основания?

Большинство теорий построено на твердом фундаменте изначальных принципов – но не квантовая. На ее создание вдохновила уходящая корнями в реальный мир идея, что энергия распространяется маленькими порциями, названными квантами. Однако к тому моменту, когда светила вроде Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга завершили ее математическое описание, эта теория зажила собственной жизнью.

В результате же какое-либо определенное соответствие между математическими переменными и физическими свойствами пропало. Вместо них появились замысловатые объекты, например волновые функции, векторы состояний и матрицы, действующие в воображаемой математической среде, называемой Гильбертовым пространством – комплексной версии с большей размерностью нормального трехмерного пространства.

Удивительно, но эти абстракции работают. Используйте набор математических правил, установленных основателями квантовой теории, – и вы совершите физические предсказания, экспериментально подтверждаемые вновь и вновь. Частицы, появляющиеся из ничего лишь для того, чтобы исчезнуть вновь; объекты, физические состояния которых могут стать запутанными и которые способны мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях; коты, подвешенные между жизнью и смертью, пока мы не посмотрим на них, – все это вытекает из математической формулировки квантовой теории и, кажется, является реальным отражением того, как работает мир.

Краткая история квантовой революции

1900

Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.

1905

Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.

1913

Нильс Бор выдвигает теорию строения атома, основанную на квантовых идеях.

1922

Эксперименты Артура Комптона подтверждают, что электромагнитное излучение может также быть описано как частицы-фотоны.

1923

Луи де Бройль обнаруживает волновую природу электронов.

1925

Бор и Вернер Гейзенберг формулируют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, по-прежнему доминирующую.

Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан разрабатывают первую версию квантовой механики.

1926

Эрвин Шрёдингер публикует волновое уравнение, демонстрирующее таинственную суть реальности.

1927

Вернер Гейзенберг выдвигает принцип неопределенности, налагающий фундаментальное ограничение на знания о мире, которые мы можем получить в принципе.

1935

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен формулируют мысленный ЭПР-эксперимент и утверждают, что квантовая механика не является полным описанием реальности.

Эрвин Шрёдингер создает знаменитый мысленный эксперимент с котом, одновременно и живым, и мертвым.

1957

Хью Эверетт разрабатывает многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой новая вселенная создается каждый раз, когда мы измеряем положение атома.

1964

Джон Белл предлагает методику (неравенства Белла) для проверки того, является ли квантовая механика полным описанием реальности.

1982

Ричард Фейнман выдвигает идею квантового компьютера, в котором квантовые системы используются для вычислений.

Ален Аспе проводит экспериментальную проверку неравенств Белла и подтверждает полноту квантовой механики; локальный реализм терпит неудачу.

1997

Впервые осуществлена квантовая телепортация (одного фотона).

2015