ООО Грант

Москва

Комментарии:

Отрицательные стороны

 

Положительные стороны

Квантовая каша Вашему вниманию представлена попытка объяснить понятным языком структуру квантовой физики, иерархию теорий в ней, а также их преемственность по отношению друг к другу. Лонгрид для вдумчивого изучения на воскресный вечер. Квантовая физика. Квантовая механика. Квантовая информатика. Для человека, далёкого от физики, эти слова различаются по смыслу чуть меньше, чем названия элитных европейских сортов сыра ¬– для барнаульского фрезеровщика 2-го разряда. Вместе с тем, вопросы о законах квантового мира всё чаще выходят за рамки сугубо профессионального сообщества и усилиями популяризаторов становятся интересной темой для дискуссий думающих людей из других профессий. Поскольку я верю, что читатели клуба – как раз такие граждане, то под впечатлениями от проходившего на днях конгресса по квантовой оптике я решил, что будет полезным провести некоторый ликбез в вопросах о том, какая область квантовой физики за что отвечает, разгребая, таким образом, кашу в голове. Квантовую кашу. Структура квантовых наук на самом деле гораздо проще, чем кажется. Это определенная иерархическая последовательность от более общего к более частному (либо, наоборот) с иногда встречающимися ответвлениями. В данном эссе я выберу первый вариант повествования, как, на мой взгляд, самый понятный. Читатель, впрочем, должен понимать, что данный вариант повествования сильно не совпадает с историческим пониманием физиками того, что же они напридумывали. Иначе говоря, история физики всегда идёт по пути «от простого к сложному», в то время как разбираться в физике предпочтительнее по обратному пути. Начать стоит с понятия «квантовая теория», которое близко к понятию «квантовая физика». Отличия между ними есть, но они лежат в области методологии, и не представляют для нас интерес, а посему я буду использовать оба, понимая под этим одно и то же. Итак, квантовая физика – это раздел физики, изучающий квантовые явления. Это кэпское определение я дополню ещё более кэпским определением квантовых явлений – это те явления, которые не могут быть описаны в рамках классической физики. И пусть читатель не подумает, что я над ним издеваюсь. На самом деле граница, определяющая, где классическое, а где квантовое, достаточно четка: разница в постулатах теории, проще говоря, в первоначалах, из которых путем логических и математических умозаключений мы получаем предсказания. Классическое мировоззрение, исторически более раннее, основано на законах Ньютона для механики и уравнениях Максвелла для электромагнетизма (за деталями я отправляю читателя в самостоятельный поиск). Квантовое мировоззрение, сформировавшееся в результате научной революции начала XX столетия, имеет в своей основе постулаты квантовой теории, для понимания которых уже требуется некоторая математическая подкованность. Квантовая теория понимается как базис, на котором основан широкий класс различных подтеорий. Строго говоря, квантовая теория ничего не изучает, кроме себя самой: за конкретные разделы отвечают конкретные теории, вроде квантовой оптики. Примечательно, что очень часто (за исключением космологии) само понятие современной физики, как научного, а не образовательного феномена ассоциируется именно с квантовой физикой, поскольку ни одна чисто физическая научная группа не занимается классическими проблемами. Это выражается даже в том, что во многих вузах в свое время произошло разделение физмат факультетов на физические и механико-математические. В результате, последние изучают такие области, как классическая аэро- и гидродинамика, сопромат и т.д., но это уже не физики, а, либо математики, либо инженеры. Но что-то я отвлекся. Итак, давайте наполнять понятие квантовой физики конкретными структурами. Первым у нас на очереди самая могучая и универсальная теория – квантовая теория поля (КТП). Несмотря на такой статус и проблематику, главная идея КТП довольно проста, пожалуй, даже проще, чем у квантовой механики. Центральным понятием КТП является понятие физического вакуума. Перед дальнейшим чтением я бы рекомендовал неискушённому читателю абстрагироваться от всех бытовых ассоциаций, связанных со словом «вакуум» и воспринимать его первое время просто как иероглиф. Под вакуумом в КТП понимается некоторое пространство, если угодно, арена действий, в котором могут рождаться и уничтожаться элементарные частицы. Когда в вакууме есть какие-то частицы (либо нет ничего), говорят о некоем состоянии вакуума (в случае, когда ничего нет, говорят о нулевом состоянии, которое ещё называется основным). Чтобы задать или описать состояние вакуума нам нужно просто перечислить все частицы, которые там есть, со всеми своими характеристиками (всего частиц более 350 штук, однако многие из них состоят из более мелкий кирпичиков, коих на самом деле не так уж и много: по шесть лептонов и кварков с античастицами, да пятерка бозонов – переносчиков взаимодействий). Для наглядности это можно представить в виде таблицы, со столбцами, в которых указан тип частиц, их импульс, число и т.д. В КТП есть специальное обозначение для состояний вакуума, но никто не запрещает представлять их себе в наиболее удобном для восприятия виде. Можно натурально в виде таблицы. Можно в стиле Хантера Томпсона: «У нас было 2 W-бозона, 75 глюонов, 5 позитронов, пол-пространства электронов и целое множество фотонов всех импульсов и поляризаций, а также Z-бозон, мюон, ящик топ-кварков, целый нуклон третьзарядовых кварков и мюонное нейтрино. Не то что бы это был необходимый запас для эксперимента. Но если начал собирать Стандартную модель, становится трудно остановиться. Единственное что вызывало у меня опасение - это Бозон Хиггса. Нет ничего более беспомощного, безответственного и испорченного, чем спонтанное нарушение электрослабой симметрии. Я знал, что рано или поздно мы найдем и эту дрянь.» Теперь единственное, чего нам не хватает – это правил, по которым вакуум переходит из одного состояния в другое. За это отвечают специальные математические объекты – операторы рождения и уничтожения. Они резво набрасываются на брошенное им состояние вакуума и, в случае рождения, создают в вакууме новую частицу с заданными параметрами (если можно), либо, в случае уничтожения, бодро вычеркивают частицы с заданными параметрами из таблицы (если таковые имеются). Всё это безумство сопровождается домножением в формулу различных множителей, из которых потом формируется рутинная расчетная работа. Если говорить упрощенно, задача КТП – ответить на вопрос, с какой вероятностью вакуум из одного состояния (одной таблички с частицами) перейдет в другое состояние (другую табличку). Весь вопрос только в том, какие частицы и какие процессы нам нужно учесть. Различные каналы имеют разные вероятностные веса, поэтому рассчитываются сначала самые вероятностные, затем всё более и более слабые. На сегодняшний день КТП описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействий (с гравитацией пока проблемы). Впрочем, бывает крайне редко, когда все три взаимодействия учитываются одновременно. Более того, большинство задач в физике делится на классы, в которых участвуют только определенные группы частиц. Поэтому КТП для простоты разбивается на отдельные теории. В этих теориях нас интересует только определенные взаимодействия только между конкретными элементарными частицами, а любые намёки на процессы из соседней теории привносятся исключительно константами. Такое «обрезание» носит название кластеризации, а получающиеся «обрезанные» теории – эффективными. Исторически самой первой квантовой подтеорией поля стала квантовая электродинамика (КЭД) – теория чисто электромагнитных взаимодействий. В КЭД могут рождаться только 3 типа частиц: электроны – самые простые носители электрического заряда, позитроны – их антиподы, античастицы и фотоны – кирпичики электромагнитного излучения (на самом деле, в КЭД есть ещё остальные лептоны, но их крайне редко рассматривают отдельно от других взаимодействий). Построенная таким образом теория оказалась крайне полезной и успешной, несмотря на крайне драматичную историю становления. Историю, выходящую за рамки данного эссе и достойную отдельной публикации. КЭД продвинула наше представление о мире на несколько шагов вперёд и послужила основой для других теорий поля (да и для всей концепции КТП в принципе). Более того, КЭД – это самая точная теория из всех существующих, которая может гарантировать сходимость теории и эксперимента с точностью до 14 знака после запятой. Вернее, могла до 2010 года, когда появилась загадка радиуса протона (на самостоятельное чтение). Примерно по такому же принципу, как в случае с КЭД, была создана квантовая хромодинамика (КХД). В ней на первые роли выходят кварки и глюоны. Впрочем, построить теорию так же легко, как в случае КЭД, не получилось. Виной тому – парадоксальное поведение этих элементарных частиц, которое пришлось дополнительно постулировать. Кроме того, КХД требует большей абстракции, поскольку КЭД имеет дело с сущностями более понятными ещё со школы. Аналогичная судьба ждала теорию слабых взаимодействий (W- и Z-бозоны) с той лишь разницей, что её со временем слепили с КЭД в теорию электрослабых взаимодействий. Коль скоро электромагнетизм главенствует на масштабах, доступных к манипуляции человеком, КЭД принято детализировать и «обрезать» дальше. Следующим шагом стал отказ от рождения и уничтожения электронов и полный отказ от позитронов с сохранением «табличного» подхода для фотонов. Получившаяся таким образом эффективная теория носит название «квантовая оптика» (КО). КО хороша для тех задач КЭД, в которых мы заведомо не ждём больших энергий от изучаемых процессов. Например, для рождения пары «электрон + позитрон» нужны фотоны огромных энергий – гамма кванты, этот процесс должен описываться в рамках КЭД. Если же мы хотим описать работу обыкновенного фонарика, этим процессом можно смело пренебрегать, и мы выбираем КО. По сути, КО избавляет нас от необходимости учитывать лишние степени свободы при сохранении функциональности КЭД. Развитая таким образом теория – один из мощнейших двигателей современного научно прогресса, который позволяет вывести манипуляции со светом на новый уровень. Если будет создан оптический процессор, спасибо мы должны будем сказать именно КО. Однако же и КО можно урезать дальше и запретить рождаться вообще любым частицам. Справедливости ради стоит отметить, что такое усечение можно было сделать ещё на этапе КТП. В результате мы получаем квантовую механику (КМ). Таким образом, КМ – это, по сути, теория, которая описывает жизнь одного неизменного вакуумного состояния путем описания эволюции и взаимодействия друг с другом всех заявленных в таблице частиц. В зависимости от того, о каких частицах идёт речь, мы можем говорить о том или ином разделе физики. Например, атомная физика – это КМ электронов в окрестности ядра, волновая оптика – это КМ фотонов, и т.д. Пытливый читатель может подловить меня вот на чём: если электромагнитное взаимодействие в физике – это обмен фотонами, то как же тогда мы описываем такое взаимодействие в КМ, если мы не рассматриваем рождение и уничтожение фотонов? На самом деле, да, обмен существует, но в определённом приближении мы можем не возиться с рождением и уничтожением фотонов, а заменить это описанием взаимодействия просто с помощью некоей функции, которая носит название потенциала. При этом физики идут на очень необычный шаг: электроны описываются в рамках квантового подхода, а вот взаимодействие c электромагнитным полем описывается с помощью классической электродинамики XIX века. Оказалось, что такой гибридный подход прекрасно себя оправдывает, упрощая решения огромного класса задач, и используется по сей день. Таким образом, мы постарались разобраться во всех физических теориях, использующих перед собой прилагательное «квантовая». За бортом осталась разве что квантовая информатика (КИ). Однако справедливости ради нужно отметить, что КИ в строгом смысле – не физика, а именно что информатика, поскольку она решает прикладные задачи по обработке информации, записанной в квантовый носитель (кубит), на базе уже готовых законов КО, КМ и КЭД. Новых физических законов при этом не возникает. Надеюсь, данное эссе было интересным. Обсуждение тонкостей и деталей «квантовой» темы предлагаю продолжить в комментариях.