Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

…Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже». Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время — это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…

А. Д. Чернин, «Физика времени»

АПОРИИ ЗЕНОНА

В предыдущих главах мы попытались обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Теперь настала пора задаться вопросами об еще одном фундаментальном понятии нашего мира — времени. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых уровнях. Несколько в стороне осталось только четвертое измерение континуума Минковского — время. Между тем именно время в микромире может быть ответственно за решение древних логических загадок — апорий эллинского философа, о которых мы уже рассказывали в первой главе.

Одними из первых предложили решение для апорий Зенона знаменитые древнегреческие мыслители Левкипп и Демокрит, создавшие и развившие античную школу атомистики. Они и их последователи считали, что апории Зенона просто не учитывают дискретную природу материи и времени, которые на определенном этапе всего лишь не допускают дальнейшего деления. Таким образом, древняя атомистика две с половиной тысячи лет назад предвосхитила не только современную атомную физику, но и новейшие теории о дискретном пространстве-времени. Ну а теперь пришло время выполнить обещание, данное в начале нашей книги, и рассказать о том, каким удивительным образом идеи античного философа Зенона Элейского воплощаются в современном квантовом мире.

Рассмотрим систему радиоактивных атомов, подчиняющихся законам квантовой механики, и попробуем ответить на вопрос: будет ли изменяться вероятность распада нестабильного изотопа в зависимости от частоты проводимых нами измерений?

Но прежде напомним нашим читателем, что такое радиоактивность (от лат. radio — излучаю и activus — действенный). Это физическое явление состоит в спонтанном превращении неустойчивых изотопов химических элементов в результате радиоактивного распада. Радиоактивность была открыта в 1896 году известным французским экспериментатором Анри Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Через два года Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты новые радиоактивные элементы полоний и радий.

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом.

Янус двуликий

Божественный древнеримский пантеон включал два персонажа, ответственных за ход времени: Сатурна (греческий Хронос), пожирающего своих детей в неумолимом беге времени, и двуликого Януса — бога начала и конца, прошлого и будущего, молодости и старости. Образ последнего подходит и на роль современного символа проблемы физического времени с молодым лицом квантовой физики и старческим — классической науки.

Трехуровневая атомная энергетическая система

При небольших временах после начала распада, когда амплитуда еще мала, так как частица в основном локализована внутри распадающейся системы, скорость изменения амплитуды, которая определяет скорость распада, также будет малой. Этот удивительный результат, имеющий чисто квантовую природу, можно сформулировать следующим образом: для обеспечения заметной скорости радиоактивного распада необходимо, чтобы волновая функция частицы за пределами распадающейся системы была достаточно велика. В начальные моменты времени, когда волновая функция частицы локализована в основном внутри распадающейся системы, скорость распада близка к нулю. Наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада, составляя суть квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕНОНА