Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Ирония в том, что книга Пайса была опубликована в 1982 году, именно в том году, когда третий эксперимент Алена Аспе с использованием запутанных фотонов был опубликован, что рассматривается всеми как одна из лучших реализаций сценария ЭПР. Этот эксперимент показал весьма убедительно, благодаря работе Джона Белла, что квантовые запутанные частицы связаны таким образом, что он просто не может быть объяснен теориями типа скрытых локальных переменных, которые бы удовлетворили Эйнштейна. С того времени значение статьи ЭПР невероятно выросло. Анализ 2005 года показал, что статья ЭПР цитировалась всего 36 раз до 1980 года, но 456 раз между 1980-м и 2005-м. В конце 2017 года онлайн-статьи цитировали ее более чем 5900 раз.

В конце концов представленные Эйнштейном, Подольским и Розеном аргументы оказались неверными, но нетривиальными. В действительности, это была блистательная ошибка, она пролила свет на странный и тревожащий аспект квантовой физики, который ранее не рассматривался. Выяснение, как и почему такой очевидный подход с точки зрения здравого смысла к физике терпит неудачу, породило огромный прогресс как в философии физики, так и в технологии, которая использовалась для исследования фундаментальной странности квантовой запутанности.

В этом смысле статья ЭПР не является неудачным моментом в карьере Эйнштейна и в квантовой физике, но подходящим для нее окончанием. Он помог запустить это направление в 1905 году смелым заявлением, что свет может быть частицей, и впечатляющее введение запутанности тридцатью годами позже было таким же смелым ударом, хотя и в противоположном направлении. Каждая из этих статей своим собственным путем трансформировала наше понимание Вселенной, показывая глубокую странность, какая существует в основании нашей обычной, повседневной реальности.

Заключение

Мы начали книгу с наблюдения того, что большинство людей связывают с физикой экстремальных и экзотических явлений: странных частиц, которые ведут мимолетное существование в гигантских ускорителях частиц; неожиданное создание материи и самого пространства-времени в Большом взрыве; загадочной судьбе гигантских звезд, что коллапсируют, создавая черные дыры. Они происходят в масштабах, воспламеняющих воображение с такими результатами, какими отрицают наше повседневное понимание, как должен быть устроен мир.

Мы увидели в этой книге те же физические принципы, что действуют в этих экстраординарных сценариях, но они влияют и на нашу обычную, повседневную жизнь, начиная с подъема с кровати и приготовления завтрака перед уходом на работу. Даже основной факт нашего существования как стабильных твердых объектов требует квантовой теории для своего объяснения: если бы не спины электронов и принцип запрета Паули, любая попытка создать макроскопический объект заканчивалась бы катастрофическим обрушением материи внутрь себя самой. Все, что мы делаем, независимо от того, насколько это тривиально и обыденно, в конце концов берет свое начало в квантовой физике.

Я надеюсь, что эта книга сделала понятным, что эта связь двухсторонняя: экзотическая квантовая физика, в конце концов, скрыта в весьма обыденных явлениях, влияющих на поведение повседневных предметов. Все это началось с обманчиво простого вопроса: «Почему горячие предметы светятся именно таким цветом?» Изменение света, исходящего от нагретого предмета, настолько обычно, будь это электрический тостер, накаленная лампочка или само Солнце, и мы почти забываем, что это явление вообще требует объяснения. Благодаря любопытству спектроскопистов XIX века, которые решили тщательно изучить цвет, и смелому и отважному трюку Макса Планка, мы были выведены на путь к самым странным и наиболее влиятельным теориям в физике.

Однако физики не перескакивали на странные, противоречащие нашей интуиции теории в один прыжок; скорее, нас неизбежно влекло туда цепочкой рассуждений, каждый шаг начинался с явления, которое было легко наблюдать в относительно ничем не примечательных обстоятельствах. Планк ввел квантовую гипотезу для объяснения излучения черного тела, затем Альберт Эйнштейн использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта, что привело к статистике фотонов и затем к лазерам. Мария Кюри углубилась в радиоактивность, а Эрнест Резерфорд использовал это для обнаружения ядер атомов, что привело Нильса Бора к введению дискретных атомных состояний, а это уже – к сверхточному измерению атомного времени. Дмитрий Менделеев ввел Периодическую таблицу, что привело к идее электронных оболочек, после чего Вольфганг Паули ввел принцип запрета, это оказалось ключевым практически для всего.

История квантовой физики – это не история людей, витавших в фантастических идеях, которые могут быть применимы лишь в малоправдоподобных ситуациях; в ее основе лежит любопытство, ведущее вперед с целеустремленностью и жесткой логикой, а также немалым количеством смелости. Ключевые шаги в этой истории включают смелые и ошеломляющие предположения Планка, Эйнштейна, Бора, Луи де Бройля и других. Их идеи легко могли бы быть (а иногда так и случалось) отвергнуты как просто безумные, но они выдерживали невероятно точные экспериментальные проверки.

Итак, связь между квантовой физикой и повседневной жизнью взаимна. Мирный завтрак в будний день был бы невозможен без квантовой физики, и квантовая физика была бы невозможна без ученых, которые смотрели на свечение горячего предмета или притяжение двух магнитов и говорили: «Я удивляюсь, почему так происходит?»

Я надеюсь, что в итоге вы вынесли урок из обеих сторон этой связи. Я надеюсь, что обсуждение физики, что лежит в основе обычной реальности, вдохновит вас взглянуть чуть более внимательно на повседневную жизнь и ценить ее корни, уходящие в ошеломляющую и экзотическую физику. Я надеюсь, что истории о развитии квантовой теории вдохновят вас проследовать за вашим любопытством, задавать вопросы о мире вокруг вас, относиться к этим вопросам серьезно и следовать им, куда бы они вас ни привели. В большинстве случаев это оказывается где-то в совершенно восхитительном месте.

Благодарности

Обычно при издании книги на обложке помещают только одно имя, но требуется невероятное количество людей, чьи коллективные усилия потребовались, чтобы получить конечный продукт, и кого надо поблагодарит за нее. В случае с этой книгой список начинается с моего агента, Эрин Хосье, за то, что она нашла, где книга будет востребована.

Несколько из идей этой книги прошли «пробный забег» в моем блоге на Форбсе; благодарю Алекса Кнаппа за возможность писать этот блог. Некоторые из деликатных моментов были также прояснены благодаря дискуссиям с другими учеными, в частности, с Эшем Йогалекаром, Нейлией Мэнн, Дугом Натэльсоном, Михаилом Нильсеном, Дэйвом Филипсом, Томом Свенсоном и Марком Уолкером. Эта книга стала более точной, чем была бы без них; все оставшиеся ошибки – моя вина, а не их.

Спасибо моим издателям, Алексе Стевенсон из BenBell и Сэму Картеру из Oneworld за