Квантовая физика. Вводная статья. Краткий обзор

Согласно определению, Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.Квантовая физика и её основные теории — квантовая механика, квантовая теория поля — были созданы в первой половине XX века многими учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Артур Комптон, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули.Квантовая физика объединяет несколько разделов физики, в которых принципиальную роль играют явления квантовой механики и квантовой теории поля, проявляющиеся на уровне микромира, но и имеющие (что важно) следствия на уровне макромира.

Сюда относятся:

квантовая механика;

квантовая теория поля — и её применения: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика высоких энергий;

квантовая статистическая физика;

квантовая теория конденсированных сред;

квантовая теория твёрдого тела;

квантовая оптика.

Сам термин Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом.

 Кванты некоторых полей имеют специальные названия:

фотон — квант электромагнитного поля;

глюон — квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике (обеспечивает сильное взаимодействие);

гравитон — гипотетический квант гравитационного поля;

фонон — квант колебательного движения атомов кристалла.

 Вообще Квантование — процедура построения чего-либо с помощью дискретного набора величин, например, целых чисел,

в отличие от построения с помощью непрерывного набора величин, например, вещественных чисел.

В физике:

Квантование — построение квантового варианта некоторой неквантовой (классической) теории или физической модели

в соответствии с фактами квантовой физики.

Фейнмановское квантование — квантование в терминах функциональных интегралов.

Вторичное квантование — метод описания многочастичных квантовомеханических систем.

Квантование Дирака

Геометрическое квантование

 В информатике и электронике:

Квантование — разбиение диапазона значений некоторой величины на конечное число интервалов.

Шум квантования — ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала.

 В музыке:

Квантование нот — перемещение нот к ближайшим ритмическим долям в секвенсоре.

 Необходимо отметить, что, несмотря на ряд определенных успехов в описании природы многих явлений и процессов, протекающих в окружающем нас мире, на сегодняшний день квантовая физика вместе со всем комплексом входящих в нее поддисциплин не является цельной законченной концепцией, и хотя изначально подразумевалось, что именно в рамках квантовой физики будет построена единая цельная, непротиворечивая и объясняющая все известные явления дисциплина, на сегодняшний день она таковой не является, например, кватовая физика не в состоянии объяснить принципы и представить работающую модель гравитации, хотя никто не сомневается в том, что гравитация- один из фундаментальных базовых законов вселенной, и невозможность объяснить ее с точки зрения квантовых подходов говорит лишь о том, что они несовершенны, и не являются  законченной и окончательной истиной в последней инстанции.

Более того, внутри самой квантовой физики существуют разные течения и направления, представители каждого из которых предлагают свои объяснения для феноменологических экспериментов, не имеющих однозначной трактовки. Внутри самой квантовой физики у представляющих ее ученых нет единого мнения и единого понимания, зачастую их трактовки и объяснения одних и тех же явлений даже противоположны друг другу. И читатель должен понимать, что сама квантовая физика – лишь промежуточная концепция,совокупность состовляющих ее методов, подходов и алгоритмов, и вполне может статься, что через некоторое время будет разработана гораздо более полная, совершенная и непротиворечивая концепция, с иными подходами и иными методами.Тем не менее, для читателя наверняка будут интересны основные явления, которые являются предметом изучения квантовой физики,и которые же при объединении объясняющих их моделей в единую систему вполне могут стать основой для совершенно новой научной парадигмы. Итак, вот эти явления:

 1. Корпускулярно-волновой дуализм.

Изначально предполагалось, что корпускулярно-волновой дуализм свойственен только для фотонов света, которые в одних случаях

ведут себя, как поток частиц, а в других, как волны. Но многие эксперименты квантовой физики показали, что данное поведение свойственно не только для фотонов,а и для любых частиц, в том числе, составляющих физически плотную материю. Одним из самых известных экспериментов в этой области является эксперимент с двумя щелями, когда на пластинку, в которой имелись две параллельные узкие прорези, направлялся поток электронов, за пластиной находился непроницаемый для электронов экран, на котором можно было видеть, какие именно появляются на нем картины от попадания электронов. И в одних случаях эта картина представляла из себя две параллельные полоски, такие же, как и две прорези на пластине перед экраном, что характеризовало поведение пучка электронов, вроде как потока маленьких шариков, но в других случаях на экране формировалась картина, характерная при интерференции волн (множество параллельных полос,с самой толстой в центре, и более тонким по краям). При попытке исследовать процесс более детально выяснилось, что один электрон может как пройти только через одну щель, так и через две щели одновременно, что совершенно исключено в том случае, если электрон был бы только твердой частицей. На самом деле, в настоящее время уже существует точка зрения, хотя и не доказанная, но по-видимому очень близкая к истине, и имеющая колоссальное значение с точки зрения миропонимания, что электрон на самом деле не является ни волной, ни частицей, а является переплетением первичных энергий, или материй, скрученных между собой и циркулирующих по определенной орбите, и в некоторых случаях демонстрирующих свойства волны. а в некоторых-свойства частицы.

 Многие обыватели очень плохо понимают, а что же такое электронное облако, окружающее атом, о котором рассказывалось еще в

школе, ну что это такое, облако электронов, то есть что их там очень много, этих электронов, нет, не так, облако и есть один и тот же электрон,

просто он как бы размазан по орбите, как капля, и при попытке определить его точное местоположение всегда приходится использовать

вероятностные подходы, так как, хотя было проведено огромное количество экспериментов, никогда не удавалось точно установить, а где же на орбите находится электрон в заданный момент времени, можно определить это только с определенной вероятностью. И это все по той же причине, что электрон не твердая частица, и изображать его, как в школьных учебниках, как твердый шарик, кружащийся на орбите, в корне неверно и формирует у детей ошибочное представление о том,как на самом деле происходят в природе процессы на микроуровне, везде вокруг нас, в том числе, и в нас самих.

 2. Взаимосвязь наблюдаемого и наблюдателя, влияние наблюдателя на наблюдаемое.

В тех же экспериментах с пластиной с двумя щелями и экраном, и в подобных им, было неожиданно установлено, что поведение электронов как волны и как частицы находилось во вполне измеримой зависимости от того, присутствовал ли в опыте непосредственный ученый-наблюдатель или нет, и если присутствовал, то какие ожидания у него были от результатов эксперимента!

Когда наблюдавший ученый ожидал, что электроны будут вести себя как частицы, они и вели себя как частицы, но когда его место занимал ученый, ожидавший поведения как волн, электроны вели себя как поток волн! Ожидание наблюдателя напрямую влияет на результат эксперимента, хотя и не во всех случаях, но во вполне измеримом проценте экспериментов! Важно, очень важно понимать, что наблюдаемый эксперимент и сам наблюдатель не являются чем-то отделенным друг от друга, но являются частью одной единой системы, неважно, какие стенки бы при этом между ними ни стояли. Чрезвычайно важно осознавать, что весь процесс нашей жизни представляет из себя непрерывное и беспрестанное наблюдение,

за другими людьми, явлениями и объектами, и самим собой. И хотя ожидание наблюдаемого не всегда точно определяет результат действия,

помимо этого, есть еще и много других факторов, тем не менее, влияние этого весьма ощутимо.

Давайте вспомним, сколько раз в нашей жизни бывали ситуации, когда делает человек какое-то дело, к нему подходит другой и начинает за ним внимательно наблюдать, и в этот момент этот человек либо делает ошибку, либо какое-то непроизвольное действие. И многим знакомо это неуловимое ощущение, когда ты делаешь какое-то действие, за тобой начинают внимательно наблюдать,и в результате у тебя перестает получаться делать это действие, хотя до появления наблюдателя ты делал его вполне успешно.

А теперь вспомним, что большинство людей воспитаны и взращены, как в школах, так и в институтах, что все вокруг, и физически плотная материя, и все предметы, и мы сами, состоим из атомов, а атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов, а ядра - это протоны и нейтроны,и все это такие вот твердые шарики, которые соединены между собой разными типами химических связей, и именно типы этих связей определяют характер и свойства вещества. А о возможном поведении частиц с точки зрения волн, а значит, и всех предметов, из которых эти частицы состоят, и нас самих,

никто не говорит! Большинство этого не знает, в это не верит и этим не пользуется! То есть ожидает от окружающих предметов поведения именно как совокупности твердых частиц. Ну они себя и ведут, как набор частиц в разных комбинациях. Поведения предмета из физически плотной материи, как потока волн, не ожидает почти никто,это кажется невозможным здравому смыслу, хотя никаких фундаментальных препятствий этому нет, а все потому, что в людей с детства закладывают неверные и ошибочные модели и понимание окружающего мира, в результате, когда человек вырастает,он и не пользуется этими возможностями, он даже не знает, что они есть. А как можно пользоваться тем, чего ты не знаешь. И так как таких неверящих и незнающих людей на планете миллиарды, то вполне возможно, что совокупность общественного сознания всех людей земли,как эдакое среднее по больнице, определяет как заданное по умолчанию устройство мира вокруг как набора частиц, строительных блоков, и ничего больше (ведь по одной из моделей все человечество представляет из себя огромную совокупность наблюдателей).

 3. Квантовая нелокальность и квантовая сцепленность.

Одним из краеугольных и определеляющих понятий квантовой физики является квантовая нелокальность и напрямую связанная с ней квантовая сцепленность, или квантовая запутанность, что в общем одно и то же. Яркими примерами квантовой сцепленности являются, например, эксперименты, проведенные Аленом Аспектом, в которых проводилась поляризация фотонов, излученных одним и тем же источником, и принятых двумя разными приемниками. И получалось так, что если изменить поляризацию (ориентацию спина) одного фотона, одновременно с этим меняется и поляризация второго фотона, и наоборот, причем происходит это изменение поляризации мгновенно, независимо от расстояния, на котором эти фотоны находятся друг от друга. Выглядит это так, как будто два фотона, излученные одним источником, связаны между собой, хотя никакой явной пространственной связи между ними нет, и изменение параметров одного фотона мгновенно приводит к изменению параметров другого фотона. Важно понимать, что явление квантовой сцепленности, или запутанности, справедливо не только для микро, но и для макроуровня.

Одним из первых наглядных экспериментов в этой области являлся эксперимент российских (тогда еще советских) физиков-торсионщиков.

Схема эксперимента была такова: брали кусок самого обыкновенного бурого угля, добываемого в шахтах для сожжения в котельных,и распиливали его на 2 части. Поскольку с углем человечество знакомо уже очень давно, то он является очень хорошо изученным объектом, и с точки зрения его физических и химических свойств, молекулярных связей,  тепла, выделяемого при сгорании на единицу объема и тд. Так вот, один кусок этого угля остался в лаборатории в Киеве, второй кусок угля отвезли в лабораторию в Кракове. Каждый из этих кусков в свою очередь был разрезан на 2 одинаковые части, итого получилось - 2 одинаковых куска одного и того же угля было в Киеве, и 2 одинаковых куска -в Кракове. Затем взяли по одному куску в Киеве и Кракове, и одновременно оба их сожгли, и измерили количество тепла, выделяемого при сгорании. Оно, как и следовало ожидать, оказалось примерно одинаковым. Затем, торсионным генератором был облучен кусок угля в Киеве (тот, который был в Кракове, ничем не облучался), и снова оба этих куска сожгли. И в этот раз оба этих куска дали эффект примерно на 15% больше тепла при сжигании, чем при сожжении первых двух кусков. Увеличение тепловыделения при сгорании угля в Киеве было объяснимо, ведь на него подействовали излучением, в результате его физическая структура изменилась, что и вызвало учеличение тепловыделения при сжигании примерно на 15%. Но вот тот кусок, который находился в Кракове, тоже увеличил тепловыделение на 15%, хотя его ничем не облучали! Этот кусок угля тоже изменил свои физические свойства, хотя облучали не его, а другой кусок (с которым они когда-то были частью одного целого, что является принципиально важным моментом для понимания сути), и расстояние в 2000 км между этими кусками совершенно не было препятствием, изменения структуры у обоих кусков угля происходили мгновенно,что и было установлено при многократном повторении эксперимента. Но надо понимать, что данный процесс совершенно необязательно справедлив только для угля, можно использовать любой другой материал, и эффект, вполне ожидаемо, будет совершенно таким же!

То есть, квантовая сцепленность и квантовая нелокальность справедлива и на макроскопическом мире, а не только в микромире элементарных частиц - в общем-то это вполне справделиво, ведь все макрообъекты и состоят из этих самых элементарных частиц!

Справедливости ради стоит заметить, что физики-торсионщики считали многие квантовые явления проявлением торсионных полей, а некоторые квантовые физики, наоборот, считали торсионные поля частным случаем проявления квантовых эффектов. Что в общем-то неудивительно, ведь и те, и другие изучают и исследуют один и тот же мир вокруг, с одними и теми же универсальными законами, что на микро, что на макроуровне,

и пусть используют при объяснении явлений разные подходы и разную терминологию, суть все равно одна.

А справедливо ли это явление только для неживых объектов, как обстоит дело с живыми организмами, возможно ли там обнаружение похожих эффектов?

Выяснилось, что да, и одним из доказавших это был американский доктор Клив Бакстер. Изначально этот ученый специализировался на испытаниях полиграфа, то есть прибора, детектора лжи, применявшегося для допроса испытуемых в лабораториях ЦРУ. Был проведен целый ряд успешных экспериментов по регистрации и установлению у допрашиваемых разных эмоциональных состояний в зависимости от показаний полиграфа, и разработаны эффективные методики, и сегодня используемые для допросов посредством детектора лжи. Со временем интересы доктора расширились, и он начал эксперименты с растениями и животными. Среди ряда очень интересных результатов следует выделить один, имеющий прямое отношение к квантовой сцепленности и квантовой нелокальности, а именно следующий – у участника эксперимента брали на пробу живые клетки изо рта и помещали их в пробирку (известно, что взятые на пробу клетки

 человека живут еще в течение нескольких часов), эту пробирку подключали к полиграфу. Затем человек, у которого брали эту пробу, уезжал за несколько десятков или даже сотен километров, и испытывал там разнообразные стрессовые ситуации. За годы исследований Клив Бакстер хорошо изучил, какие именно показания полиграфа сответствовали определенным стрессовым состояниям человека. Велся строгий протокол, где четко регистрировалось время попадания в стрессовые ситуации, и также велся протокол регистрации показаний полиграфа, подключенного к пробирке с пока еще живыми клетками.И выяснилось удивительное - несмотря на огромные расстояния между испытуемым и пробиркой с живыми клетками, была выявлена почти идеальная синхронность между вхождением человека в стрессовую ситуацию и почти одновременной реакцией клеток в виде соответствующих графиков полиграфа!То есть, хотя клетки, взятые у человека на пробу, и сам человек были разделены в пространстве, по-прежнему между ними существовала связь,и изменение эмоционального и психического состояния человека практически немедленно отражалось в реакции клеток в пробирке.

Результат повторялся множество раз, были попытки установить свинцовые экраны с целью изолировать пробирку с полиграфом, но это не помогало,

все равно даже за свинцовым экраном происходила почти синхронная регистрация изменения состояний.

То есть квантовая сцепленность и квантовая нелокальность справделива и для неживой, и для живой природы, более того, это совершенно естественное природное явление, происходящее повсюду вокруг нас! Думаю, многих читателей интересует, и даже более чем, а возможны ли путешествия не только в пространстве, но и во времени, может быть, существуют какие-либо эксперименты, подтверждающие это, и вероятно, здесь может помочь квантовая сцепленность и квантовая нелокальность? Оказалось, что такие эксперименты есть! Один из них был проведен известным советским астрофизиком Николаем Александровичем Козыревым, и заключался он в следующем. Всем известно, что то положение звезды, которые мы видим на небе, не является истинным ведь за те тысячи лет, что свет летит от звезды до нас, сама она за это время уже сместилась, на вполне измеримое расстояние. Зная расчетную траекторию звезды, можно предположить, в каком месте она должна находиться сейчас, и более того, можно рассчитать, где она должна должна находиться в будущем в следующий момент времени (через временной период, равный тому времени, которое нужно свету, чтобы долететь от нас до этой звезды), если аппроксимировать траекторию ее движения.И с помощью телескопа особой конструкции (зеркального телескопа) было подтверждено, что не только существует тип сигналов,

распространяющийся по вселенной практически мгновенно, независимо от расстояния в тысячи световых лет (по сути, "размазывающийся" в пространстве, как электрон по орбите),  но и возможно регистрировать сигнал из будущего положения звезды,то есть того положения, в котором ее еще нет, она там будет еще очень нескоро! Причем именно в этой расчетной точке траектории. Здесь поневоле возникает предположение, что, подобно электрону, "размазанному" по орбите, и являющегося по сути квантово-нелокальным объектом, звезда, вращающаяся вокруг центра галактики, как электрон вокруг ядра атома, также обладает некоторыми похожими свойствами. И также, данный эксперимент доказывает возможность передачи сигналов не только в пространстве,но и во времени. Данный эксперимент достаточно активно дискредитируется в средствах массовой информации,

с приписыванием ему мифических и мистических свойств, но нужно отметить, что он был повторен также уже после смерти Козырева на двух разных лабораторных базах, двумя независимыми группами ученых, одной в Новосибирске ( под руководством академика Лаврентьева),а второй на Украине, исследовательской группой Кукоча, причем на разных звездах, и везде были получены одни и те же результаты, подтверждающие исследования Козырева! Справедливости ради, стоит отметить, что и в электротехнике, и в радиотехнике известны случаи, когда при определенных условиях сигнал оказывается принят приемником за несколько мгновений до того, как был излучен источником. Данный факт, как правило, игнорировался и принимался за ошибку,и к сожалению, часто, похоже, у ученых просто не хватало духу назвать черное черным, а белое белым, лишь потому, что это якобы невозможно и этого не может быть.

А были ли еще проведены некие похожие эксперименты, которые бы подтверждали данный вывод? оказывается, были, доктором медицинских наук,академиком Влаилем Петровичем Казначеевым. Было проведено обучение операторов, один из которых находился в Новосибирске, а второй- на севере, на Диксоне. Была разработана система символов, хорошо выученная и усвоенная обоими операторами. В указанное время с помощью зеркал Козырева осуществлялась передача сигнала одним оператором к другому, причем заранее принимающей стороне не было известно, какой именно из символов будет отправлен. Велся строгий протокол, в котором регистрировалось время отправки и приема символов. И после сверки протоколов оказывалось, что некоторые символы были приняты почти одновременно с отправлением, некоторые были приняты с опозданием, что вроде бы возможно и вполне естественно, но вот некоторые символы были приняты оператором ДО того, как были отправлены! То есть, по сути, были отправлены из будущего в прошлое. Данные эксперименты до сих пор не имеют строго официального научного объяснения, но очевидно, что имеют одну и ту же природу. Можно на их основании с достаточной степенью точности предположить, что квантовая сцепленность и квантовая нелокальность не просто возможна, но и существует не только в пространстве, но и во времени!