← На головну

Що таке «квантовий світ» з точки зору сучасної науки. Науково-популярна лекція.

Опубліковано: 2025-12-18

Що таке "квантовий світ" з точки зору сучасної науки. Науково-популярна лекція.

Шановні слухачі, я вас вітаю. В минулій лекції, коли я розповідав про те, що таке час, я трохи торкнувся того, які проблеми має вимір часу у квантовій механіці і чому без появи так званої теорії всього неможливо описати перші миті існування нашого всесвіту. Але нездатність описати подібні речі є, мабуть, чи не єдиною вадою квантової фізики. Якщо обирати серед всіх фізичних теорій, то вона, мабуть, є найбільш революційна, ну, або одна з двох найбільш революційних на рівні з теорією відносності. І от сьогодні якраз про неї я б і хотів розказати. Що ж це таке квантовий світ і чому він є одним з найбільш дивних, найбільш незручних для інтуїції і в той же час одним з найбільш фундаментальних рівнів нашої реальності? Я багато років викладаю студента основи атомної, ядерної фізики, квантової механіки. В мене є підручник з цього курсу. В мене підготовлена величезна кількість презентацій. І мій досвід каже, що зрозуміти її завжди дуже складно. І не тільки тому, що вона надто складна математично. Ну, врешті-решт, математику можна вивчити. А в першу чергу тому, що самі події, самі закони мікросвіту ні схожі ні на що, що ми бачимо в нашому звичному житті. Наша інтуїція походить з досвіду роботи з великими об'єктами, там м'ячами, камінням, машинками, повітряними кульками тощо. І вона дуже швидко ламається, коли ми стикаємось з тим, що відбувається на масштабах атомів чи ще менших масштабах, на масштабах елементарних частинок. Ми намагаємося зрозуміти, коли ми порівнюємо з чимось ще відомим, а там немає нічого подібного, там перестають працювати всі аналогії, і тому доводиться повністю ломати нашу свідомість. Фактично ми змушені розуміти явища не через порівняння і аналогії, а суто через математичний формалізм. воно так, тому що так кажуть формули і тому що це підтверджується експериментами. Фактично, коли мене просить пояснити, що робити для кращого розуміння квантових процесів, я завжди скадую відому фразу, яку колись використав досить відомий фізик Натанієель Мермін для пояснення того, що треба робити з квантовою механікою. Фрази. Це англійською мовою звучить так: Shut up and calculate. Просто рахуй, не намагаючись нічого зрозуміти. От що ти отримуєш з точки зору математику в результаті, те і буде правдою. Насправді це чудовий, це дуже ефективний підхід. Він на 100% працює. Але сьогодні я спробую зробити абсолютно протилежне. Я спробую пояснити квантовий світ взагалі без жодної формули. Ну, хіба що вони там будуть десь на задньому фоні з'являтися для кроси. Хоча я цілком усвідомлюю, що питань від цього може бути ще більше, ніж відповідь. Ну, але вже як є. Отже, що таке квантовий світ? Квантовий світ - це рівень нашої реальності, де все дуже маленьке, де маленькі маси, де маленькі енергії, де ще менші розміри, а поведінка об'єктів не підкорюється логіці або так, або так. Тут можливі стани, які в нашому щоденному досвіді не мають ніяких аналогів. Тут об'єкт може бути одночасно в двох місцях або взагалі ніде. Тут він одночасно і хвиля, і частинка, і ніте з іншими. Тут майбутнє не визначено взагалі, і передбачити наслідки подій неможливо. І тут немає ніякого механічного внутрішнього процесу, який би ми могли собі уявити на пальцях. І так, звичайно, цей світ дуже полюбляє зображувати якесь популярне кіно. Ну, але м'яко кажучи, це не наукове кіно, це не науково-фантастичне кіно. Це кіно в стилі фентезі. Якщо хтось бачив, наприклад, фільм Antman in the Wasp Людина мурах і оса, то, можливо, коли дивилися цей фільм, ви подумали: "О, квантовий світ, це такий дивний якийсь візуальний сюрреалізм. Це якийсь маленький всесвіт, де живуть якісь різнокольорові істоти. І якщо зменшитися достатньо сильно, то ми з ними можемо якось поспілкуватися. Ну, на жаль, реальний квантовий схід світ абсолютно не схожий на цю візуальну фантазію від Marvel. І він точно не є місцем, де ви будете якось так блукати між атомами, як між деревами у лісі. Квантовий світ не виглядає взагалі. Він не має вигляду, він має лише математичний опис. Це зовсім інша реальність. Це не візуальна реальність. Це не людська реальність. Це не інтуїтивна реальність. Саме тому класичні звичні нам уявлення там не працюють. Ми не можемо собі уявити електронку кульку. Ми не можемо собі його уявити як планету на орбіті, бо він не літає по якійсь траєкторії. І навіть уявити собі його як хвилю, це теж некоректно. хвиля в нашому світі десь поширюється у просторі, а хвиля, яка описує електрон, поширюється у, ну, у можливостях, у ймовірностях. Тобто вона навіть не річ, вона абстракція, математична абстракція. І казати про розмір електрона теж немає жодного сенсу. Квантові частинки взагалі не мають розміру. Якщо ми кажемо про розмір, то розмір передбачає тверду поверхню, а у них немає жодної твердої поверхні. Коротше кажучи, вся класична людська мова просто не пристосована для того, щоб описувати подібні речі. А от мова математики чудово працює. Ну, але про це я розкажу трохи далі. І я особисто це вважаю одним з найбільших див взагалі сучасної науки, що в нас є мова, яка цей дивний світ може настільки точно описати. Перед нами виникає питання: а як взагалі люди могли б прийти до такого розуміння? Як від механічного світу, там кульок, пружинок, пірамідок. Ми прийшли до світу суперпозицій, колапсів, декогеренцій, квантової невизначеності, хвиль ймовірності тощо, тощо, тощо. Для того, щоб це зрозуміти, треба повернутися до моменту, коли все почалося, до історії відкриття квантового світу. І саме з цього ми почнемо нашу лекцію. І саме про це ми поговоримо далі. У майже всіх університетах курси загальної фізики викладають завжди в одній і тій самій послідовності. Спочатку завжди починають з механік. І де б ви не навчалися, в Київському університеті імені Шевченка, в MIT, в Такійському університеті, механіка завжди буде першою. Ну, зрозуміло чому. Бо це найбільш проста, це найбільш наочна, це найбільш стара частина фізики. І про якийсь там важіль чи про терця люди вже знали багато тисяч років тому. Потім будуть йти науки 18 сторіччя. Це, в першу чергу науки про тепло, електрику і світло. Тобто молекулярна фізика, термодинаміка, електрика і магнетизм, оптика тощо. І лише після них завжди починається атомна квантова ядерна фішка. Це так і тому, що так розвивалося історично, і тому, що поява квантового світу була б неможлива без того, щоб ми почали досліджувати, чим насправді є світло. І тут я хочу розпочати нашу розповідь з проблеми чорного тіла. Це проблема, коли класична фізика вперше, ну, подивилася в мікросвіт і побачила повний абсорд. Це перший розділ мого підручника з квантової фізики. І коли студенти його бачать, коли студенти приходять на першу лекцію, то вони не розуміють, ну, наче викладач мав про квантову механіку говорити, а замість цього про якісь лампи розжарювання розповідає. До чого тут вони? Вони мають до цього прямо відношення. От уявімо собі будь-яке гаряче тіло, ну, наприклад, розжарений шматок металу, всім зрозуміло, що він почне світитися. Це, напевно, один з найстаріших дослідів взагалі в історії людства. Люди про це знали з тих пір, як взагалі відкрили вогонь. І ще в XIX сторіччі фізики чудово вміли вимірювати спектр такого світіння. От скільки енергій випромінюється на різних довшинах свілі, скільки в нас червоного світла, скільки зеленого, скільки синього, скільки фіолетового, тощо, тощо, тощо. І все досить гарно збігалося з експериментом, поки мова не доходила до ультрафіолета. А отам класична теорія переставала працювати повністю. За класичною фізикою кожен електрон, ну давайте так, кожен електрично заряджений фрагмент речовини мав би поводитися як певна пружинка, як певний осцилятор, що може коливатися з будь-якою частотою. Може повільно, може швидко, може дуже швидко. От уявіть собі, нескінченно багато таких пружинок, які здатні тремтіти як завгодно швидко. Якщо їм дозволити коливатися на надвисоких частотах, то вони б мали викидати у простір все більше і більше енергії. Якщо порахувати, точно порахувати без жодних наближень, без помилок, то формули давали абсолютно безглуздий висновок. Гаряче тіло, будь-яке гаряче тіло повинно випромінювати нескінченну кількість ультрафіолетового світлу. Нескінченно, не просто велику. Це не дибна помилка. Це буквальне твердження, що будь-який розжарений предмет мав би миттєво засвітитися нескінченним ультрафіолетовим спахом. У науті це називається ультрафіолетова катастрофа. Тобто факт, що наші фізичні передбачення і реальність протирічать один одному. Але абсолютно очевидно, що реальність поводиться не так. Гарячі тіла не випромінюють нескінченну кількість енергії. Якщо подати напругу на звичайну лампу накалювання, вона розжариться, але не до нескінченної температури. Вона не спалить миттєво всю нашу планету Земля. Тобто щось тут не те. Тобто фізика неправа. Тобто наші класичні уявлення не працюють. Вони не дають навіть грубого наближення. Вони просто ведуть у повню несиітницю. Треба було щось робити. І не тільки через це. Якщо ми кажемо про межу X-X століть, то це час, коли поступово відкривається атом та його будова. У своїй лекції про будову матерії я детально розповідав, що перша згадка про атоми - це ще часи античності. Це Левкіп, Демокріт, Давня Греція. Ідея, що атоми - це такі неподільні кульки. І слово саме атом походить від атомос, неподільний. Потім починається X сторіччя, починається хімія, починається роботи Дельтона, потім Томпсон, відкриття електрона, перші моделі атома. До речі, Рерфорд з його плетарною системою. Це не зовсім відноситься до нашої теми, але знов таки класична фізика каже: "Світ неможливий". Якщо електрон, як це люблять викладати у шкільному курсі фізики, це маленька заряджена кулька, яка літає навколо позитивного ядра, то він повинен миттєво зникнути. Тому що коли він рухається, він весь час випромінює енергію. Постійно будь-який заряд у русі випромінює. Тобто всі атоми мають весь час світитися, а через це електрони мають весь час втрачати свою енергію і падати на ядра. Тобто атоми не можуть існувати. А якщо не існують атоми, то не існує нічого з того, що нас оточує. Ані речовини, ані навіть самого життя. Тобто наш всесвіт за цією логікою за долю секунди мав би зникнути. Будь-яка матерія має колапсувати в точку. Ну або взагалі жодна матерія не може існувати. Тобто світ би просто не колопсував, він би навіть не утворився. Чудова перспектива, м'яко кажучи. Але вона, знов таки не збігається з реальністю. В реальності я існую, ви існуєте. Там Хмельницька АС існує, Місяць існує, Альдебаранance Беталгейзи існують. І ну зовсім не схоже, щоб все це кудись якось миттєво колапсувало. Світ існує, але наша теорія вперто каже, що такого бути не може. Коли таке відбувається, то майже завжди це означає, що наша фізика невірна і має з'явитися якийсь вчений, який її виправить. Е, коли ми кажемо саме про квантову світ, фізику, про квантовий світ, то то таких вчених було декілька. І процес її народження був досить тривалий. Почався він у 1900 році, а закінчився десь в середині кінці 20-х років XX сторіччя, тобто тривав майже 30 років. Тому і казати про якогось одного творця квантового світу некоректно. У квантової механіки, у квантового світу було багато творців, але саме першим був відомий німецький фізик Макс Планк. Якщо взагалі ми про нього згадуємо, то треба сказати, що Планк не хотів робити ніяких там революцію фізики. Він намагався зробити щось дуже скромне. Ее я багато років був керівником факультетської студентської команди, яка виступала на студентських турнірах фізика. Ми досить гарно виступали. Ми регулярно перемагали на всеукраїнських турнірах, навіть мали їхати на міжнародний турнір. Ну, але нас там на кордоні зупинили прикордонники і представляти країну на міжнародному фізичному турнірі у Парижі змогла, на жаль, лише жіноча нашої команди. І їм кілька балів не вистачило, щоб вийти в фінал і там перемогти. Ну, але це вже не має відношення до нашої лекції. І от на таких от фізичних турнірах студенти різних команд дуже полюбляють займатися так званою підгонкою, тобто підганяти теоретичну формулу під вже отриманий експериментальний результат. І хоча Макс Планк ніколи в студентських турнірах фізики участі не брав, він намагався зробити фактично те ж саме. Він намагався підігнати формулу випромінювання розігрітих тіл. під реальні експериментальні дані для того, щоб позбутися ультрафіолетової катастрофи. Він навіть пізніше сам писав, що це він зробив від безвиході акт дерфен, якщо я можу це прочитати німецькою мовою, як він казав, бо всі інші варіанти просто закінчилися повним провалом. Що він запропонував? А насправді надзвичайно радикальну річ. Він сказав, що енергія не безперервна. Енергія завжди передається певними порціями, маленькими шматочками або, по-іншому, квантами. Ми не можемо дати якійсь пружинці, якомусь осцилятору, з яких складаються всі тіла, будь-яку порцію енергії. Ми можемо лише дати певну кількість енергій. Це досить дивна ідея. От нехай в нас є там м'ячик, ми цей м'ячик штовхаємо. Якщо ми його трохи швидше штавнемо, він трохи швидше полетить. Ну, начебто все логічно. Але насправді ні. Насправді існує певна мінімальна кількість енергії, яку ми йому можемо передати. Меншу частину він просто не прийме. Тобто ідея ця здається досить безглуздою, але, як не дивно, вона спрацювала. Формула, яку отримав Планк, ідеально збігалася з експерименту. Ультрафіолетова катастрофа виправалася. Проблема чорного тіла зникла. Вже ніякі лампочки не спалахують миттєво знищуючи всю землю. І можна сміливо вночі вмикати світло на вулицях, не боючись, що це якось знищить нашу планету. І хоча сам Планк себе ніколи таким фізичним революціонером не вважав, і він думав, що він просто зробив певний математичний трюк, фізики дуже швидко зрозуміли, це ніякий не трюк, це ніяка не математична хитрість, це фундаментальна властивістьро, фундаментальна властивість нашої реальності. Світ на маленьких масштабах, у мікромасштабах не безперервний, він зернистий, дискретний. Тут важливо сказати, у слові квантовий взагалі немає нічого магічного. Це просто означає порційний, дискретний, такий, що складається з окремих частинок. І будь-які такі слова, там квантовий світ, квантова механіка, квантова теорія поля, той самий гіпотетичний квантовий час, про який мене питали у коментарях до минулої лекції, який так досі і не відкритий, може ніколи не буде відкритий, це об'єкти, які складаються з окремих порцій. Все. Порція енергії, порція імпульсу. Поки що не відкрита, але цілком можлива порція часу. Можна було простіше назвати не квантова механіка, а порційна механіка. Ну, можливо, тоді певна частина її магічної загадковості відразу б зникла. Ну, можливо, ні. Тобто енергія не тече плавно. Енергія завжди приходить з певними маленькими пакетами, порціями. І саме через це існують стійкі атоми. Саме через це наш світ не розвалюється. Ну, хоча я це трохи насправді е забігаю наперед. Це показав не Планк, це показав ще Бор у своїй теорії атома. Це було через десяток з гаком років після Планка. Але ідея була саме в цій порційності. І от з момента цього відкриття фактично і починається квантова революція. Це той момент, коли вчені вперше зрозуміли, для того, щоб описати мікросвіт, нам доводиться відмовитися від звичних інтуїцій і побудувати абсолютно нову фізику. Хоча, е, звичайно, що однієї ідеї Планка ще було замало. Потрібно було, щоб хтось от цю його ідею про мать маметичний трюк назвав саме не трюком, а реальністю. Ну, а якщо ми згадаємо про початок X сторіччя, то хто був найбільш геніальним фізиком цього часу, який взагалі полюбляв змінювати уявлення людей про реальність? Ну, звичайно, це був Альберт Германович Ейнштейн або Айнштейн, як його зараз треба називати. Його ідеї досить багато хто не любить. У мене в кожне відео набігає досить велика кількість, ну, назвемо це так, альтернативно освідчених людей, які голосно розповідають, що ніякої теорії відносності не існує, що час не уповільнюється, що простір не викривлюється тощо, тощо, тощо. Ну, плюралізм в домовах - це чудово. Тому я такі коментарі ніколи не видаляю. Я взагалі з одні коментарі ніколи не видаляю. Але теорії Ейнштейна - це, мабуть, одні з найкраще підтверджених теорій у фізиці. І він відкрив не тільки обидві теорії відносності, загальну та спеціальну. Квантові механіку теж він започаткував, коли досліджував знов таки не мікросвіт, а цілком звичний і простий фотоефект. Е, фотоефект - це той випадок, коли квантова фізика зустрічається, ну, буквально з кожним з нас прямо зараз. От кожен раз, коли ви робите фото на телефоні, це фотоефект. Кожна моя лекція, яку я записую ось на цю камеру - це теж фотоефект. Будь-які системи, на які ми світимо, і вони дають нам певні електричні сигнали - це різні види фотоефекту. От та сама матриця у камери телефона. Ви бачите мене, тому що на неї попало відбите від мене світло, яке вибило певні заряди, яке створило певний струм, який був десь там оброблений всередині циврого процесора. І так спробувалось запрашити. У цього ефекту взагалі цікава історія. Фотоефект відкрили задовку до квантової механіки. Я не буду казати про його закони, там про закони столетова тощо. Я скажу лише так. Люди помітили, що якщо світити на метал, з нього починають вилітати електрони. Але тільки тоді, коли світло достатньо жорстке. От ультрафіолет. Чудо все працює. Просто фіолетова чи синє світло працює, але вже не для всіх металів. А от червоне світло майже для жодного металу не працює. І як би ми не збільшували яскравість червоного світла, от хоч до засліплення електрони не полетять. От хочу убися, не полетять, але варто нам змінити колір і раптом електрони починають вилітати, навіть якщо освітлення дуже слабке. Класична хвильова теорія цього не розуміє. За нею все мало бути навпаки. Чим яскравіша хвиля, тим більше вона має струсити ці електрони і тим більше їх має полетіти. Але світло поводиться так, наче воно складається з окремих таких ударів. І тільки достатньо сильний удар здатен вибити електрон. Фізики на це дивилися і чесно казали: "Ми не розуміємо, що відбувається". І от у році, через 5ть років після відкриття Планка, Альберт Айнштейн каже: "Світло - це не просто хвиля, це одночасно і потік частинок, тобто крихітних квантів, тобто порцій енергій, або іншими словами, фотонів. І коли цей фотон, цей квант, ця порція енергії, взаємодія з електроном, який знаходиться десь в певному твердому тілі, він віддає йому всю свою енергію відразу. Одна порція, один удар. Все. Не може бути півфотона, чверть фотона, півтора фотона. Фотон або один, або його не існує. І саме за це, до речі, Айнштейну дали Нобелівську премію, а зовсім не за його теорії відносності. Ну, відомо, що Нобелівські премії дають лише за підтверджені експериментально теорії. А з теорії відносності на початку XX сторіччя експерименти були ще досить складні. Так, вони були, але, ну, неостаточно, тому вирішили. Фотоефект працює. Ейнштейн відомий. Даймо йому саме за це. І от цієї, якщо порції достатньо, то електрон вилітає. Якщо цієї порції кванта світла недостатньо, то хоч ми 100 прожекторів засвітимо, нічого не зміниться. Ніщо не може додати енергію фотону зверху. Знов таки, часто в коментарях до моїх минулих лекцій з'являються люди, які пишуть, що ніяких фотонів не існує, що це все вигадка дорних фізиків. І от вони, коментарі на Ютубі, коментатори на Ютубі точно знають, що світло - це тільки і виключно хвиля. Ну, це нормальна реакція. Ми звикли уявляти світло як хвилю. Ну, там хвиля в морі, хвиля у повітрі. Це все інтуїтивно, це все зрозуміло. А ідея частинки світла, ну, вона певним чином проти здорового глусту. І коли ми працюємо зі звичайними антенами, то там наче ніяких квантів нема. Тому навіть досить розумні люди, навіть освідчені спеціалісти з радіотехніки досить часто починають казати, що це все вигадка, ніяких квантів не існує, бла-бла-бла-блаб-бла. Ні, не вигадка. Кванти існують. Вони існують і в жорсткому діапазоні, і у видимому, і у радіодіапазоні. Просто помітити їх у радіодіапазоні сучасна наша техніка не дозволяє. І взагалі ідея, що світло - це потік частинок, чесно кажучи, не така вже і нова. Е, творець механічної картини світу сер Ісаак Ньютон ще за кілька сотень років до Айнна казав, що світло складається з частинок. І заслуга Айнштейна не в тому, що замість ідей світло - це хвиля. Ми тепер кажемо: "Світло - це частинка". Його головна думка була більш революційна. Він сказав: "Не треба обирати світло і хвиля, і частинка одночасно". Іноді воно поводиться так, іноді інакше. І ці обидва описи - це частини однієї і тієї ж самої реальності. Вони не протирічать один одному, вони доповнюють один одне. Тобто, що ми маємо? 1900 рік. Планк математична ідея квантованості 1905 рік Ейнтайн. Визнання квантованості світла як фізичної реальності. Після того, як Айнштейн пояснив фотеефект і ввів ідею фотона, ну, зі світлом ми начебто розібралися і вже настала пора зрозуміти, що таке атом. Першим це спробував зробити відомий англійський фізик Резерфорт, який порівняв атом з сонячною системою. От електрони планети, які обертаються навколо ядра Сонця. Але я кілька хвилин тому вже пояснив, що такий опис мав би призвести до миттєвого зникнення нашого світу. Треба було цю модель якось рятувати. І врятувало її, знов таки та ж сама дискретність, та ж сама порційність, та ж сама квантованість. Цей порятунок зробив відомий датський фізик Нільс Бор. Він працював десь на межі між класичною фізикою і новою квантою механікою. Його підхід не був стандартним. Він не намагався, як це взагалі традиційно робляться у фізики, вивести якісь закони атома з класичних рівнянь. Навпаки, він постував певні правила, які, ну, суперечать усьому, що ми знаємо про електрон як орбіти. Основна ідея бора була такою: електрони можуть існувати лише на дискретних квантових орбітах. І якщо вони знаходяться на тих орбітах, вони не поглинають і не випромінюють світло. Випромінювання світла відбувається лише, коли вони стрибають з однієї орбіти на іншу. Причому стрибки ці миттєві і знов таки дискретні, квантовані. Це не було наслідком класичної фізики. Це був постулат, тобто щось, що приймається без пояснень. Тобто фактично він сказав: "Прийміть на віру, що це так. Не питайте чому. Просто проведіть експеримент. Просто перевірте результати". Вчені так і зробили. Взяли і перевірили. Все працює. Так. Якщо у нас експеримент збігається з теорією, значить ідея гарна. значить, залишаємо її в науці і працюємо з нею далі. Навіть сьогодні студенти в університетах вивчають модель Бора, а іноді її навіть розглядають у школах. Але важливо розуміти, це історичний етап, це не остаточна істина про атом. Це величезне спрощення, яке дозволяє робити лише перші розрахунки, але не пояснює квантові процеси дуже глибоко. Для науки цінність ідеї Бора зараз історична і педагогічна, а не фундаментальна. Так, без нього, напевно, не виникли б наступні прориви. Не виникла б там квантова механіка Шртінгера, матрична механіка Гейзенберга і вся подальша взагалі квантова революція. Але сама теорія Пора, оці його постулати зараз не розглядаються наукою як щось, що пояснює світ на глибокому рівні. Мене іноді студенти питають: "Так, навіщо нам тоді взагалі це в школі розповідали, якщо це все неправда?" Я кажу: "Так чудово, що вам хоч це розповідали. Воно є в програмі". Раніше воно було на ЗНО, зараз воно є на НМТ, але навіть на першому курсі більше ніж 90% студентів-фізиків нічого про це не знають. А от якби вам насправді розповідали, як влаштований Ан, то нічого б не знало не 90%, а 100%. Ну, на жаль, сучасні вчителі фізики не завжди дуже добре володіють своїм предметом і, скажімо так, дуже-дуже не завжди можуть цікаво довести його до дітей. Ну, в будь-якому разі, моя думка про українську шкільну освіту - це не тема для розмови в лекції Квантовий світ. Тому скажу так: Бор дав ключ для розуміння будови атома, для розуміння спектрів і промінів ані різних тіл, але це була все ж, ну, скажімо так, класична картина, підшита нитками квантових постулатів. Тобто електрон ще поводився як частинка, от та сама класична кулька, якою він не є, але він обертається вже по квантових орбітах. І ніхто не розумів, чому він робить це саме так. Знов таки, це постулат просто прийміть на віру. Ну, а далі вже відбулося безпосередньо народження квантового світу. І це був насправді цілком логічний перехід. Якщо, як сказав Ейнштейн, світло може бути і хвилею, і частинкою, то, можливо, і матерія, от частинки матерії, ті ж самі там атоми, електрони, ядра, вони можуть теж мати хвильову природу. І через 20 років після Ейнштейна на сцену виходить відомий французький фізик Луї Дебройль саме з такою ідеєю. Гіпотеза Дебройля фактично це, ну, скажімо так, фізична сміливість в її чистому вигляді. Запропонувати щось на перший погляд абсолютно безглузде, що, як потім виявиться, є основою всього. Якщо світло, яке всі вважали хвилею, іноді поводить себе як частинка, то чому б частинкам іноді не поводити себе як хвиля? І у 1924 році Луї Деброїль формулює ідею, яка виявилася пророцтвом, але тоді здавалася багатьом, ну, майже безумством. електрони, протони, атоми, взагалі будь-які тіла, я, ви, там, йоркшівський тер'єр десь на галявині, планета Земля, Зірка, Сонце, все це також і хвиля. Кожна частинка є хвилею. Кожна хвиля є частинкою. Ну, або якщо казати більш коректно, кожен елемент матерії у різних ситуаціях може проявляти як хвильову, так і корпускулярну природу. У кожної частинки має бути своя хвильова довжина. Якщо у хвилі є довжина, то і у частинки також. Є дуже проста формула, яка пов'язує довжину хвилі будь-якого об'єкту, його масу та швидкість. Чим більше маса, тим коротша хвиля. Чим коротша хвиля, тим менш помітні квантові ефекти. Тому ми не бачимо дифракцій на автомобілях, інтерференцій нароширських тер'єрах, хоча теоретично жодних заборон для цього немає. Просто тіла занадто великі, щоб ми це зафіксували. Але для електронів це фіксується дуже легко. Ця ідея дістала назву корпускулярно-хвольовий дуалізм. І саме вона лежить в основі всієї квантової механіки, в основі всього квантового світу. І на мою думку, саме Дебройля можна вважати найбільш важливим серед засновників квантового світу, хоча заслугу решту також не можна применшувати. Красива думка, чудова. Але наука - це не релігія. Наука ніколи не каже, що сліпо треба вірити в якісь постулати. Принципова різниця між будь-яким релігійним знанням і науковим саме в цьому і полягає. Науковці не вірять в квантомеханіку, науковці не вірять в теорію відносності, науковці не вірять в теорію еволюції. Ти висловив ідею? Перевір. Спрацювало? Окей. Ідея гарна, чудово. Залишаємо. Наука завжди потребує доказів. І якщо ми кажемо про ідею корпускулярно-хвильового дуалізму, то вони прийшли дуже швидко. Я не буду розповідати про всі експерименти, які тоді проводили. У своїх лекціях для студентів я розповідаю і про експеримент Девісона Джермера, про дефракцію електронів на кристалі нікелю. Я розповідаю про досвід Томпсона з золотою платівкою і дефракційними кільцями. Е-е, я розповідаю про багато-багато інших дослідів і навіть в лабораторному практикумі ми деякі з цих експериментів проводимо фізично на установках, щоб студенти самі переконалися: "От перед вами електрони, от бачите, а ведуть себе вони як хвилі. Нема питань. Я зупинюсь лише на одному експерименті, найбільш відомому, на експерименті, про який, мабуть, чули навіть ті, хто про квантову механіку не знає взагалі нічого. Ее це, звичайно, що так званий двощілиних експеримент. Уявіть собі, у нас є стіна і в цій стіні є дві вузькі щілини. У нас є певна гармата, яка стріляє електронами. І ми стріляємо електронами один за одним через ті щіли. Що нам підказує класична логіка? Якщо електрон - це частинка, кулька, він має пролетіти або через ліву щілину, або через праву. Дві можливості, дві траєкторії. Тобто на екрані за цими двома щілинами має бути дві смуги. Смуга ліва, смуга права. А що буде, якщо через ті ж самі дві смуги пропустити не електрони, як ми їх собі уявляємо класично, а дві хвилі, ну, на, наприклад, хвилі на воді. Тоді за тими щілинами утвориться дифракційна картина. Це легко спостерігати на будь-якій водній поверхні. Це ефект відомий там ще з 18, початку X століття. Це так званий досвід юнка. От Котляревський ще дописував Енеїду, Шевченко ще навіть не народився, а фізики вже чітко знали, що при проходжені хвилі через дві щілини з'являється на екрані за цими щілинами інтерференційна картина. Але, як виявилося, і для електронів позаду щілин з'являється та ж сама інтерференційна картина, тобто картина, яку створюють хвилі, які проходять не через праву або ліву, а через дві щілини одночасно, як хвилі на воді. Вони розходяться двома шляхами, а потім взаємодіють самі з собою і утворюють те, що в нас є на вигоді. Тобто виходить, що кожен електрон, коли проходить через ці щілини, він не обирає якусь одну. Він веде себе так, ніби він проходить через обидві щілини одночасно. Начебто він є хвиля, а не частинка. Як це уявити? Ее дуже просто. Для цього лише перестати треба вважати електроню кулькою. Він не є кулькою, він не є м'ячиком, він не є чимось, що нам зрозуміло. Він є електронном, він є квантовим об'єктом. І для нього цілком нормально бути в двох місцях одночасно. Не обирати через праву чи ліву щілину, а через обидві відразу. Але як тільки ми поставимо прилад, який спробує стежити, так через яку ж щілину він насправді пролітає? Оця хвильова картина відразу зникає. Електрон, так би мовити, вирішує бути максимальною частинкою. Це так звана декогеренція. Тобто цей детектор, який ми поставили, він забирає на себе оцю розмитість електрона. Він знищує його внутрішню здатність бути і там, і тут одночасно. Наше спостереження робить квантову частинку класичною, а для класичних об'єктів немає ніякої квантованості. На відміну від електронів, там собаки не дифрагують через стіни. Тобто квантові уявлення просто не збігаються з тим, що ми можемо уявити в класичному світі. Квантові об'єкти абсолютно інші. Вони не хвилі і не частинки в класичному сенсі. Вони щось своє, щось третє. Звичайно, це дуже спрощений підхід. І коли я кажу, що електрон проходить через дві щілини одразу, то з наукової точки зору я маю на увазі, що електронсується хвильовою функцією, що проходить через обидві чілини і далі інтерферує сама з собою. Ну, але основна ідея саме така. Чудово. Тобто електрон - це щось загадкове, інше. Наступний логічний крок. Якщо електрон є хвилею, то треба якось описати математично, якою саме хвилею він є. І отут насправді є певний класичний фізичний мейнстрім і є певні альтернативні думки. Причому обирати те чи інше ми можемо абсолютно за нашим власним бажанням. Що я маю на увазі? Ну, зараз спробую пояснити. Народження квантової механіки - це не плавний розвиток старих ідей. Це не модернізація класичної науки. Це був злам, це був розрив. Це момент, коли з'ясувалося, світ на найглибшому рівні працює зовсім не так, як ми звикли. І старими інструментами його просто не осягнути ніяк. Коли ми кажемо квантовий світ, ми маємо на увазі не просто маленький розмір. Ми маємо на увазі світ, де події не мають жодних аналогів в нашому макросвіті, де частинки можуть бути в кількох станах одночасно, де немає ніяких траєкторій, де саме питання, як він насправді рухається, воно втрачає сенс. Вчені бачить певні експерименти. От в нас є атом, у цього атома є спектр, у нас є фотоефект, у нас є дифракція електронів. Усе працює, все повторюється, все чудово, але жодна класична теорія не може дати хоч якусь аналогію. Класичні аналогії просто ламаються одна за одною. Частинка і вже не частинка. Хвиля і вже не хвиля. Орбіта, ну і вже не орбіта. Тобто нам потрібно було створити нову мову для того, щоб це описати. І мову настільки незвично, що її неможливо вивести із старої. Їй довелося постувати, просто сказати: "Ось так працює кванте". Першум таку мову спробував зробити відомий німецький фізик Вернер Гейсенберг. Це була смілива спроба, ну, фактично викинути з формул все, що не спостерігається. От ми не спостерігаємо траєкторії. Немає траєкторій, немає ніяких орбіт, немає ніяких там електрончиків, що бігають якимись там колами. Ми маємо лише те, що реально вимірюється в експериментах частоти, інтенсивності, квантові переходи тощо. Тобто те, що бачить напряму прилад. Так, у середині 20-х років Гельсенберг створює матричну ме вона виглядає абсолютно чужою. Кожна властивість частинки - це певна матриця. Де частинка знаходиться? Матриця положення. Як швидко рухається матриця швидкості? Ну, насправді, це певна похідна від матриці положення. ва матриця енергії, матриця імпульсу і так далі. Ну, якщо більш строго, то це матриці переходів між квантовими станами. Але для популярного викладу можна просто вважати, що все є матрицями. Причому їх властивості абсолютно не такі, як ми звикли. Наприклад, вони не переставляються місцями. От всі школи пам'ятають а * b = b * а. І для звичайних чисел все чудово. Це правда. А от для матриці ні. І для квантового світу ні. В квантовому світі перестановка множників призводить до зміни добутку. Чому такі властивості квантового світ? Тому що він такий є. Це не виводиться, це постується і далі вже перевіряється на експериментах, чи був вірний обраний нами апостол. І от коли це перевірили, то виявилося, що ця, ну, досить, на перший погляд, дика, важка, дуже незручна математика раптом чудово працює. Вона дає правильні результати, воно дає правильні спектри атома, воно дає правильні частоти, вона дає все, що нам потрібно. І, е, хоча вона була така гарна, насправді це була не єдина спроба пояснити світ. Е, майже в той самий час, крім Гейсенберга, тією ж самою проблемою, е, зайнявся інший відомий фізик, якого звали Ервін Шретінгер. Е, це була, ну, скажімо так, досить сумнівна і не ідеальна з сучасної моральної точки зору людина. Це якраз той випадок, коли краще шанувати людину за її досягнення, а не за особливості моральної поведінки. За певними біографічними джерелами. Я не буду казати, що це на 100% правда, але таких джерел досить багато. Відомо, що, наприклад, [сміх] для того, щоб ефективно творити квантову механіку, Шррозінгеру необхідно було весь час мати відносини з досить молодими дівчатами, бажану підліткового віку, бажану декількома одночасно. І він навіть вів щоденник, де він все це в деталях описував, пояснюючи, що лише їх частота знаходиться в гармонії з його геніальністю. І лише так він може щось відкривати. Ну, на щастя, ми пам'ятаємо його не за це, а ми пам'ятаємо його за те, що він придумав інший шлях, як можна описати світ. Він запропонував ідею описувати квантовий світ через хвилі. І замість матриці у нас тепер з'явилася хвильова функція. Тепер вже все описується безперервними хвилями ймовірності, а оці дискретні переходи, вони напряму з них виникають. Так, це знов таки не ідеалогії. як би нам це, звичайно, що хотілося. І картина, знов таки призводить до не зовсім вірних інтерпретацій отих самих, що електрон - це хвиля. Це не так. Електрон не є хвилею. В одному з описів квантової механіки з математичної точки зору електронно описують як хвильовий об'єкт, але це не робить його хвилею. Це лише каже, що математичні рівняння для його опису мають вигляд рівнянь для певних хвиль. Все. Тобто твердження, що електрон хвиля настільки ж вірне, як і твердження, що електрон є матриця. Електрон не є хвилею. Електрон не є матрицею, він є електром. А матриця чи хвиля - це просто наші способи для його опису і не більше. І хоча оці способи, ці підходи Гейсенберга і Шртінгера тоді здавалися зовсім різними, насправді, як потім виявилося, вони ідентичні між собою. Це просто це два способи бачити реальність. І експерименти підтвердили, що обидві гіпотези, обидва методи, вони цілком вірні. Вони обидва дають однакові результати. Фактично і Гейсенберг, і Шртінгер описують один і той самий квантовий світ, але просто різними мовами. Так, їх інтуїції нам здаються несумісними. Але якщо висновки збігаються з експериментами, значить істина не в наших картинках. Не в тому, що електронхвиля чи електрон-матриця. Істина в результатах. І ось тут стається те, що я особисто вважаю майже дим. Люди, ми з вами - це істоти макросвіту. Ми живемо в метрах, в секундах, в кілограмах. Ми бачимо яблука, машини, краплі дощу, дівчат, що катаються на велосипедах, там хлопців, що кудись підкорюють. Пішли гірські вершини. Наша інтуїція формувалася еволюційно зовсім в іншому масштабі. І все ж, незважаючи на це, людський мозок зміг створити абстрактну математичну мову, де існують всі ці матриці, оператори, хвильові функції тощо. І ця мова ідеально описує світ, яких ми не бачимо взагалі. Не тому, що ми його зрозуміли, ні, ми його не розуміємо, а тому, що людська математика якимось чином, якимось дивом здатна вловити оцю саму логіку всесвіту, логіку, яка повністю суперечить нашому щоденному досвіду, але підтверджується всіма експериментами. Причому відкрили цю мову математики задовго до квантового світу, але якимось чином виявилося, що саме для нього вона ідеально підходить. Тобто там, де не спрацювали жодні слова, чудово спрацювали формули. І саме в цій точці народжується квантова механіка. Вона народжується не як певне уточнення класики, а як абсолютно нова мова, яка була створена з нуля. Мова, яка дозволяє нам розмовляти з реальністю там, де жодні аналогії вже не працюють, де жодні аналогії вже нічого не можуть врятувати. І далі ми підемо саме вглиб цієї мови. Ми підемо до принципу на визначеності, до хвильових функцій, допи суперпозицій, до колапсів, до всього того, що робить квантовий світ настільки чужим і в той же час настільки прекрасним. І за що фізики не тільки за освітою, а й за станом душі, ну, типу мене, насправді його дуже і дуже полюбляють. Бо всі ці частинки хвилі, вони звучать красиво, але вони страшенно псують розуміння. Вони створюють враження, що квантовий об'єкт - це там то хвиля, то частинка, це якийсь там хамелеон, який у різні моменти часу якось так перемикається між двома станами. Ні, все не так. У квантовому світі немає частинок в класичному сенсі. У квантовому світі немає хвиль в класичному сенсі все, що в нас є - це квантові об'єкти. Це речі абсолютно [сміх] іншого типу, яких у наших повсякденних життєвих ситуаціях просто не існує. Я роками пояснюю студентам, не намагайтеся уявити електрон кульку. Це шлях в нікуди. І як хвилю у вас теж не вийде його уявити. Хвиля - це щось таке розмазане у просторі, а електрон не такий. Електрон не розтікається по кімнаті. Він взагалі точковий. Він має нульовий розмір і він має неіснуюче положення. Те, що ми називаємо частинка хвиля - це наша спроба приклеїти два звичних ярлики до чогось абсолютно незвичного. Це як, ну, намагатися описати смартфон, використовуючи лексику середньовіччя. Він факел чи він книга? Ні, він ані факел, ані книга. Він щось зовсім третє. Хоча так, він вміє світити ліхтариком, як факел, і на ньому можна читати, як читають книжку, але він не є чимось таким. А якщо ж казати про формалізми Гейсенберга і Шрдінгера, то, як потім було показано потім вченими, вони абсолютно ідентичні між собою. І обирати, який з них використовувати, кожен фізик може виключно на свій смак. От мені особисто більше подобається формалізм Шртінгера. Просто він мені зручніший. Мені подобаються більше хвильові функції, ніж матриці, тому далі я буду казати саме в його контексті. Але насправді різниці жодної між ними немає. Тобто кожен електрон, кожна частинка - це об'єкт, який описується певною хвильовою функцією. І ось тут люди знов таки дуже часто роблять помилку. Вони думають, що хвильова функція - це якась реальна хвиля. Це щось фізично розмазане. Це така туманність у просторі. Навіть в ілюстраціях можна часто знайти щось подібне. От у нас якась світиться хмаринка, який в якій всередині сидить електрон. Красиво, але абсолютно неправильно. Хвильова функція - це не фізична хмара. Це не хвиля у воді, це не хвиля у повітрі. Це математичний об'єкт. Це формула. Все. Це функція, яку ми використовуємо для того, щоб робити певні передбачення. Можна сказати, що хвильова функція - це карта. Це карта ймовірності, це карта передбачень. Електрон не має точного положення, але якщо ми спостерігаємо за великою кількістю електронів і вони у схожих умовах, то ми помічаємо, що в їх розташування є певні закономірності. Ми не можемо сказати, де кожен з електронів знаходиться, але ми можемо сказати, де більше шансів його знайти. І от саме цю умовну карту шансів, умовну карту ймовірностей описує хвильова функція. От коли ви їдете, наприклад, у київському метро і дивитеся на мапу, на схему київського метро, ви ж не думаєте, що тунелі вони прокладені там різнокольоровими лініями на білому тлі міста Києва. Ні, ви розумієте, що це абстракція, яка була створена виключно для зручності. Це символи. І хвильова функція - це та ж сама карта, це та ж сама схема, це той самий символ, але вже для електрона. Це карта, яка дозволяє нам передбачати, які ми отримаємо результати, коли ми намагаємося вимірювати квантові об'єкти. Ми очікуємо, що якщо ми підемо кудись по карті, то ми опинимось десь. Так само ми очікуємо, що якщо хвильова функція ось така, то електрон буде вести себе ось так і опиниться от в цьому місці. І дуже важливо, що це карта саме передбачень, бо якщо запитати, то де насправді знаходиться електрон? Відповідь буде дуже проста: ніде. Поки ми його не вимірюємо, об'єкт не має класичних властивостей. Він не летить по якійсь там траєкторії, він не розмазаний хвилею, він існує у квантовому світі. Це зовсім інший спосіб буття. Поки ми з ним не про взаємодіяли, він ніде. Він з'являється десь лише в результаті спостереження. І тут стає зрозуміло, чому наші звичні образи взагалі не працюють. Ми, люди, ми створені еволюцією. Ми створені, щоб там якось орієнтуватися у світі столів, яблук, котів, дверей, пірамід. Але світ електронів, світ фотонів, світ атомів, світ елементарних частинок, він не про це. Він не будується з об'єктів, які схожі на мініатюрні копії звичних набраче. Квантові об'єкти - це не зменшені версії нашого світу. Це інший світ. І описати його можна лише однією мовою, мовою математики. І найцікавіше, от попри всю свою незвичність, ця хвильова функція, оцей чисто математичний інструмент, дає неймовірно точні передбачення. От все, що ми робимо в останню сотню років, всі результати від спектру атомів до роботи лазерів, до телефонних камер, вони повністю збігаються з цією картою. Тому ми кажемо: "Кватовий об'єкт - це не хвиля. Квантовий об'єкт - це не частинка. Це щось, що описується хвильовою функцією. А хвильова функція - це не об'єкт. Хвильова функція - це інструкція. Це інструкція, які каже нам, які події є можливі, які події є неможливі, які події є ймовірні, ймовірність яких подій дуже низька. І от у цьому фактично вся квантова механіка. Не у дивності формул, а в тому, що реальність виявилася значно багатшою за наші звичні поняття. У квантовому світі ми оперуємо не траєкторіями, ми оперуємо хвилями ймовірності. Ну, це з одного боку звучить якось поетично, а з іншого ламає всю інтуїцію, яку ми будували з дитинства. Ми звикли, що там якась кулька, вона котиться завжди за певною лінією. Планета рухається по орпіті, поїзд їде по колій, а електрон взагалі не рухається в цьому сенсі. Ви не можете сказати, де він буде за мить. Ви можете лише зробити певне передбачення, де він скоріш за все з'явиться, коли про взаємодія з детектором. А може і не з'явиться, а може з'явиться, але не там. І хвиля електрона не є фізичною хвилею у просторі. Це математичний інструмент. Це схема, яка говорить: "Ось тут електронник. Ось тут трохи ймовірніше, а ось тут майже гарантовано і не більше". І коли ми кажемо, що у світі немає нічого неможливого, це не художня метафора. Це цілком технічний опис квантової реальності. Природа насправді ніколи не каже: "Це заборонено". Вона каже: "Це майже не трапляється". Можна виграти в лотерею? Можна. Ймовірність мізерна, але не нульова. Може електрон опинитися в якомусь іншому кінці всесвіту? Може. Практично ми цього не дочекаємося, бо ймовірність настільки мала, що у всесвіту більше шансів, я не знаю, там згоріти і народитися заново, аніж дочекатися такого тонелювання через весь всесвіт. Але заборон принципових немає. Але я маю зауважити одну річ. Все, що я тільки що казав, є однією, так, найбільш поширеною, найбільш класичною серед усіх квантових спроб трактувати квантовий світ. Саме вона зазвичай використовується в усіх підручниках і її називають Копенгагенська інтерпретація квантової механіки. Її створили десь приблизно у 1927 році вже згадані мною Кейсенберг і Бор в місті Копенкаген в інституті теоретичної фізики, коли треба було хоч якось осягнути те, що вчені не відкривали в той час. Ця інтерпретація каже дуже просту річ. До моменту вимірювання електронних властивостей. Не має якісь, але ми їх не знаємо, а саме немає. Категорично немає положення, немає траєкторії, немає швидкості, немає імпульсу, немає моменту імпульсу, нічого немає. Є тільки розподіли ймовірностей. От ми про взаємодіємо і тоді, лише тоді ми отримуємо конкретне значення. До того невизначеність є фундаментальною рисою нашого світу. Навіть дуже розумним фізикам, навіть творцям квантової механіків це було дуже важко повірити. Де і зараз, мабуть, не всі вчені, не всі люди можуть таке прийняти. От той самий Айберт Айнтайн, до речі, з цим категорично не погоджувався. Він вважав, що у Електрона є якесь чітке положення, просто ми його не знаємо. Е, такий саме, ну, так мовити, секретний параметр природи. От так звана прихована змінна, яка визначає все заздалегідь. На сольв'єйському конгресі у 1927 році він висловив фразу: "Бог не грає в кості". Тобто немає того, що чогось немає. Все має бути визначено. На що Борд йому відповів: "Пане Ейнштейне, на вказуйте, будь ласка, Богу, що йому робити". І реальність підтвердила саме в кості Бог і краї та ще й як. І завдячувати цьому ми повинні відомому ірландському та швейцарському фізику Джону Беллу. Він поставив питання: "Так, що ж насправді? Електрон ніде чи електрон десь?" Але ми про це не знаємо. Тобто, якщо приховані параметри справді існують, то можливо, хоча самі параметри ці нам невідомі, вони можуть якось вплинути на якісь інші статистичні закономірності. І він сформулював конкретну математичну нерівність. Якщо світ працює так, як вважав Ейнштейн, електрон, але ми не знаємо де, то нерівність Белла не повинна порошуватися. Якщо ж праві були Бор і Гейзненберг, і Електрон взагалі ніде, то нерівність мала порушитися. Експерименти були проведені і вони поставили в цьому питанні досить жирну крапку. Я не кажу, що остаточно, але вже майже остаточно. При цьому не одну крапку, десятки крапок, сотні крапок і дуже точних крапок. Нерівність Белла порушується. Вона порушується послідовно. Вона порушується систематично. Саме так, як передбачає квантова механіка. Що це означає? Це означає, що жодних прихованих параметрів немає. Електрон дійсно немає положення. Його властивості не приховані від нас. Їх просто не існує. І для нашої інтуїції це звучить майже як образа. Але доведено. Світ працює от саме за своїми законами, не за нашими уявленнями. В результаті ми отримаємо досить дивний, але насправді досить послідовний образ світу. Наша реальність не складається з маленьких твердих кульок, що летять кудись по своїм чітким траєкторіям. Вона складається з квантових об'єктів, які не є ані хвилями, ані частинками. Вони є чимось третім. І дуже зручний інструмент, який нам дозволяє з ними працювати - це ймовірність. Але це далеко не найдивніша особливість квантового освіту. От той самий електрон, який перебуває ніде, може перебувати в цьому ніде, в купі станів одночасно. В квантовій механіці ця його особливість називається суперпозицією. Якщо до того в нас було просто щось дивне, то суперпозиція - це вже рівень, коли інтуїція просто, так би мовити, піднімає руки, а якийде кудись із кімнати. От уявімо собі об'єкт, що може мати кілька взаємовиключних властивостей, але не по черзі, а одночасно. електрон, що і летить, і не летить одночасно, стрілку, яка спрямована і вгору, і вниз в один той самий момент, або там, якщо щось ближче до побуту, монета, яка впала на стіл і не орлом, і не решкою, а обома стелерами одночасно. Причому не тому, що ми його якось особливо закрутили, а тому, що вона в цьому стані і орел, і решка одночасно існує. І тут та ж сама проблема, що і раніше. У нашому світі, класичному світі, немає жодного аналога суперпозиційного стану. Ми не вміємо уявляти об'єкт, що перебуває в двох взаємовиключних станах одночасно. Тому нам і доводиться вигадувати якісь парадоксальні образи, парадоксальні аналогії, як той самий кіт Шртінгера. Ее він настільки класичний, я його вже складував в такій великій кількості лекцій, що повторювати детально не буду. Кіт Шрдінгера - це був уявний експеримент, який був запропонований Ервіном Шрдінгером. Це кіт в коробці з отрутою. Ця отрута керується квантовим процесом і вона може вбити цього кота з ймовірністю 50%. І от квантова механіка стверджує, що поки ми не відкрили коробку, кіт в цій коробці і живий, і мертвий одночасно. Це певний, ну, досить абсурдний символ того, що у квантовій природі це нормальний стан речей. І не тому, що кіт буквально у суперпозиції, а тому, що наша звична логіка ламається, коли ми переносимо наш макросвіт у мікросвіт. Та суперпозиція - це не просто якийсь дивній такий фокус природи, це робочий інструмент природи. Саме завдяки такій суперпозиції, от квантові комп'ютери, про які я згадаю трохи далі, не перебирають варіанти по черзі, а працюють паралельно у багатьох можливих станах одночасно. Саме квантова суперпозиція робить квантові сенсори нечутливими до шумів. Саме квантова суперпозиція дозволяє нам вимірювати величини з точністю, про які класичні системи взагалі навіть не мріють. Ну, майже весь квантовий хай-тек стоїть на тому, що природа дозволяє об'єктам бути багатоваріантними, причому багатоваріантними одночасно, а не по черзі. Але тут виникає цілком логічне запитання. От квантова система, вона і така, і така одночасно. Класична система, вона лише така. А коли ця суперпозиція зникає? Коли стан і так, і так переходить в стан щось конкретне, коли ми, ну, умовно кажучи, відкриваємо цю коробку з котом Шротінгером. І що саме відбувається в цей момент? Якщо в квантовому світі все окей, а в нашому такого ніколи не буває, то де межа і що відбувається на цій межі? Коли саме наш всесвіт змушує квантовий об'єкт, так би мовити, визначитись? І чи є цей момент об'єктивним, чи чи це ми самі створюємо реальність певним фактом нашого спостереження? Якщо казати про копенгагенську інтерпретацію, то процес, коли частинка переходить зі стану я ніде, причому в кількох ніде одночасно у стан я ось тут, називається колапсом хвильової функції. І з ним, як я розкажу далі, якраз у квантовій механіці є досить значні проблеми. І багато вчених, фізиків не розуміють цей колапс і не погоджуються з тим, щоб його взагалі вводити в науку. Все, що ми описували до того, от всі ті суперпозиції, ймовірності, хвильові функції, це все чудово, це все прекрасно, це все працює аж до того моменту, коли ми починаємо вимірювати квантову систему. І от саме тут починається один з найбільших парадоксів квантового світу. От уявімо собі квантовий об'єкт, той самий електрон, який знаходиться десь в стані суперпозиції. Він і тут, і там. Його спін і вгору, і вниз. Але варто йому провзаємодіяти якось з чимось, ну, з тим самим детектором, з фотоном, з будь-якою системою. Ми називаємо таку систему вимірювачем. І оця суперпозиція зникає. Система, так би мовити, обирає. Так, вона обирає випадково. Вона обирає непередбачувано, вона обирає без певної прихованої логіки, але вона в цей момент стає цілком конкретною. Оцей процес вибору, коли система з невизначеного стану стає конкретним, називається колапсом. А чому тут загадка? А головна причина загадки в тому, що цей колапс, він є миттєвим. Він не просто дуже швидкий, не просто надсвітловий, він миттєвий в буквальному сенсі. От щойно ми зробили вимірювання тут. Опис цієї системи миттєво змінився навіть там, незалежно від відстані. І так, це певним чином звучить як порушення спеціальної теорії відносності. Ну, хто знає, звичайно, що пам'ятає, що ніщо не може рухатися, ніщо не може передавати інформацію швидше за за швидкість світла. Але насправді ні, тому що колапс не передає інформації. Ми не можемо використовувати його, щоб переслати кудись повідомлення. Природа, ну, певним чином втримала баланс. Дивина є, а от порушення причинності немає. Щось миттєве є, але передавати повідомлення таким чином ми не можемо. Ее, часто для ілюстрацій колапсу його люблять порівнювати з чимось класичним. От кажуть: "Уявіть собі, що у вас є двоє шкарпеток. От ви взяли один шкарпеток, шкарпетку одну, невідомо яку, поїхали кудись за сотню кілометрів, подивилися, оця шкарпетка виявилася правою. І тоді ви миттєво дізналися, що інша шкарпетка на іншій відстані, вона є лівою. Схоже на колапс? Ну, певним чином схоже, але не дуже. Вимірюванням правості чи лівості шкарпеток ви не створили факт, ви його лише виявили. Тобто, і до того вони були права та ліва, але ви про це не знали. Це той самий прихований параметр. Це той самий прихований параметр, який був вже спростований нерівністю Белла. У квантному світі все працює не так. У електрона або у фотона немає якогось прихованого параметра, якогось правильного результата. Він не мав положення до того, як не мав стану. Він не був записаний наперед. Його властивості стають реальними лише в момент вимірювання. Тобто, якщо ми, як двоє шкарпеток, рознесемо два, наприклад, зв'язані фотони у різні кінці світу і подивимося на їх поляризації, то коли ми ось тут бачимо праву поляризацію, інша частинка незалежно від відстані, миттєво на іншому кінці всесвіту стає лівою. Не тому, що вона і була лівою, а ми про це не знали, а тому, що миттєво відбувся колапс їх вольових функцій і правість цієї миттєво утворила лівість цієї. Це, до речі, називається квантова заплутаність, квантова телепортація. Я трохи далі більш детально про них розкажу. І виникає питання: то що ж таке цей колапс? А ми не знаємо. Це чесна і точна відповідь. Є різні спроби пояснити цей колапс. Наприклад, існують досить екзотичні теорії, що колапс пов'язаний з гравітаційним полем. Ну, мовляв, масивні об'єкти не можуть залишатися в стані суперпозиції, бо взаємодія з гравітаційним полем руйнує цю суперпозицію. Гравітація передбачає наявність конкретного часу, конкретного простіру, а суперпозиція це забороняє. Або що колапс - це взагалі не фізичний процес, це якась зміна нашого знання. Є багато інших ідей, але жодна з цих ідей не дає остаточної відповіді. Проблема колапсу залишається відкрита. І як я розкажу потім, саме через неї у копенгагенської інтерпретації існує досить багато супротивників. Це одна з тих точок, де сучасна фізика чесно визнає. Так, ми бачимо ефект, ми вміємо його описувати математично, але ми не знаємо, що знаходиться в глобіні цього процесу. І виникає зрозуміле запитання: якщо такий колапс дивний, то може його взагалі не існує? Може світ працює інакше? Може все не так, як ми думаємо. Може ми живемо лише в одній з гілок реальності. І це дійсно гарна фізична інтерпретація. Але перед тим, як перейти до неї, перейти до цього так званого квантового мультивсевіту, я б хотів зупинитися на ще одній особливості квантового світу, а саме на принципі невизначеності. Як я вже казав, поки ми не подивилися на електрон, він знаходиться ніде. Але як тільки ми зробили вимір, як тільки цей електрон провзаємодіяв з певною системою, з певним вимірювачем, то ми відразу дізналися, де він і куди він рухається. Але питання, наскільки точно ми це дізналися. І ідея принципу невизначеності дуже проста, вона зрозуміла, але від цього не менш фундаментальна. У природі неможливо це дізнатися. У природі неможливо знати все і одночасно. Навіть у принципі неможливо. Не тому, що в нас недостатньо точні прилади, не тому, що колись ми винайдемо щось краще, не тому, що ми погано розуміємо теорію, а тому, що так влаштований всесвіт. У класичній фізиці ситуація проста. Якщо ви знаєте точне положення, наприклад, планети і її швидкість, то ви можете передбачити її траєкторію на мільйони років. Світ детермінований. Будь-яка невизначеність - це лише тимчасова незручність. Якщо ми хочемо про щось краще дізнатися, треба, ну, збільшити фінансування науки, зробити кращі прилади і рано чи пізно ми про все дізнаємося. У пізнання немає меж. Колись ми дізнаємося абсолютно все про все в нашому світі. У квантовому світі все не так. Той самий детермінізм там ламається о принцип невизначеності, який каже: "Ви не можете одночасно знати і точне положення електрона, і його точний імпульс. Якщо ви знаєте, куди рухається електрон, ви ніколи не дізнаєтеся, де він знаходиться. Якщо ви точно знаєте, де він знаходиться, ви ніколи не дізнаєтесь, куди він рухається. Це не через якісь там недоліки приладів, через шуми, через похибки, не через технічні проблеми, це через глибинну структуру нашої реальності. Чим точніше, чим глибше ви стискаєте інформацію про положення електрона, тим більше розпливається інформація про його рух. І навпаки, чим точніше ви фіксуєте швидкість, тим більше зникає локалізованість. Невизначеність не є дефектом. Це не є проблемою, яку треба якось подолати технічним чи іншим чином. Це фундаментальна риса нашого світу. Це така ж сама риса, як, наприклад, там обмеження кількості швидкості світла в спеціальній теорії відносності. Це закон. Це закон, який не дозволяє всесвітому зламатися. Якби все можна було виміряти абсолютно точно, то купа явищ, які нас оточують, просто перестали б існувати. Ну, от найважливіше навіть сонце. Сонце перестало б світити. В основі світіння сонця існують так звані термоядерні реакції, так званий протон-протонний цикл. Це цикл утворення гелію зводню в результаті трьохкрокового процесу. І цей процес неможливий без принципу невизначеності. Він просто не відбувався. Принцип невизначеністі - це твердження про глибинну структуру реальності. Ми не просто не знаємо, ми не можемо знати, бо такої інформації просто не існує в нашому всесвіті. Невизначеність - це природня властивість світу, а весь наш звичний, твердий, стабільний макросвіт - це лише узагальнення. Це сукупність величезної кількості середніх значень для оцих самих квантових, хаотичних, випадкових елементів. І те, що він нам здається нормальним, це лише наслідок оцієї самої статистики великої кількості об'єктів. Тобто я не знаю точно скільки пальців на моїй руці, я не знаю точно, куди вони рухаються, але так як моя рука складається з величезної кількості атомів, то в середньому їх невизначеності якось одна одну компенсують. І мені здається, нібито пальців у мене п'ять, і я ними весь час рухаю під час нашої лекції. А далі природньо виникає питання: якщо світ не визначений на фундаментальному рівні, якщо цей самий колапс миттєвий, якщо суперпозиції реальні, то що ж насправді відбувається, так би мовити, під капотом? Це все було математика. А яка фізика за цією математикою стоїть? І це нас приводить до найбільш дискусійної, найбільш філософської частини квантової механіки, а саме до її інтерпретацій. Як я казав раніше, квантова механіка вважається вірною, бо її математичні рівняння підтверджуються величезною кількістю експериментів. Але людям ніколи цього не вистачало. Люди завжди намагалися задати питання: "А що воно є насправді?" Отой самий принцип, про який я згадував на початку лекції, Shut up and calculate. Він суперечить людському природньому бажанню бачити зрозумілу глибину, суть, внутрішню суть процесів. І таких інтерпретацій створили декілька. Про одну з них я вже згадував сьогодні досить багато. Це Копенгагенська інтерпретація. Нільсбор, Вер Кейсенберг, інститут теоретичної фізики Копенгаген. Кінець 20-х років. Саме там і тоді сформувалася та ідеологія, що описує, як слід інтерпретувати, розуміти квантові рівняння. Тобто щодо того, що вони математично вірні, ніхто не сумнівається, але було бажання саме зрозуміти, що стоїть за цією математикою. Ее цей підхід каже наступне: "Наш світ дуже дивний. Електрон до вимірювання не має жодних визначених властивостей. Він може бути в купі станів одночасно. А потім ми якось проводимо вимір і хвильова функція миттєво колапсує. Що саме колапсує? Ну, це зайве запитання. Не думайте про це. Просто користуйтесь. Цей підхід був зручний. він працював, але те, як він працював, досить багатьом здавалося, ну, надто філософським, надто непояснюваним. І саме тому інші вчені намагалися пояснити світ по-іншому. І з'являється нова, так звана багатосвітова інтерпретація. Інша її назва інтерпретація Еверет. У 1950х роках молодий фізик Гювер задумався: "А чому ми взагалі вважаємо, що хвильова функція кудись колапсує?" Адже самі квантові рівняння нічого не містять про колапс. Квантові рівняння, оце саме рівняння Шрдінгера, рівняння Дірака, про яке я трохи згадаю далі, вони описують плавну, детерміновану еволюцію хвильової функції. Колапс був доданий в квантову механіку штучно. Не існує рівняння, яке б його описало. Це додатковий об'єкт, додатковий крок, це зовнішня вставка. Це щось, чого немає в самій математиці квантової механіки. Звідки цей колапс береться? Хто, ну, наказує хвильові функції: "Згорнись, колапсуй". Чому саме в момент вимірювання? Як саме відбувається перехід від і живого, і мертвого кота в конкретного кота, живого або мертвого? Квантова механіка не має на це відповідей. І тому Everet цілком логічно припустив: "А давайте просто його приберемо повністю. Нехай хвильова функція ніколи не колапсує. Нехай квильова функція ніколи не перестає еволюціонувати. Нехай електрон ніколи не переходить в стану ніде в стан ось тут". А що ж тоді відбувається? Якщо хвильова функція, якщо електрон нікуди не переходить, то хто тоді? Варіантів насправді не так вже і багато. У нас є електрон і у нас є ми, які за тим електроном спостерігаємо. Якщо не електробирає, в якому стані він опиняється, то залишаємось лише ми. Тобто виходить, що під час вимірювання не хвильова функція обирає варіант, а це ми розгалучуємось. Ми розгалучуємося разом з клатовою системою. Електрон був всепропозиції і там, і тут. Пройшло вимірювання. З'явилися дві гілки реальності. Я бачу електрон тут, а я бачу електрон там. Це, так би мовити, суперпозиція, але вже всього всесвіту. Причому ці гілки реальності більше не взаємодіють одна з одною. Вони пішли окремими шляхами. Вони фактично стали двома різними квантовими історіями, двома різними станами однієї хвильової функції всього всесвіту. звичайно, що це не паралельні виміри в стилі фантастичних якихось там фільмів. Ніхто не вирізає там новий простір так якось з нуля. Ніхто не живе в якомусь там своєму бульбашковому всесвіті. Між тими всесвітами, які утворилися, неможливо подорожувати. Це не два світи, це два сценарій опису нашого всесвіту. Ми просто сприймаємо свій окремо, бо інший вже став для нас недоступний. Тобто цілком можливо, що на кожному кроці відбувається розгалудження всесвіту на безліч інших варіантів, на нескінченну кількість інших варіантів. Але так як ми, спостерігачі за визначенням можемо бачити лише один з них, а подорожі між тими варіантами неможливі, то для нас це виглядає як певний колапс. Але колапсом воно не є. І переваги, які вчені бачать в інтерпретації Еверета, дійсно вражають. Ну, по-перше, в цій інтерпретації немає ніякого загадкового колапсу. От немає цього процесу, який швидше за світло, що нібито обирає один варіант. Просто ми бачимо один з варіантів всесвіту, а інші ми з інших варіантів для нас недоступні. І обмінятися з ними враженнями ми не можемо. Фізика стає значно чистіша, фізика стає значно більш прозора. Хульова функція вже розвивається завжди однаково. Все чудово. По-друге, немає парадоксів на кшталт того ж самого кота Шретінгера. Кіт не і живий, і мертвий. Є дві гілки хвильової функції. Є дві гілки реальності. В одній гільці реальності кіт живий, в інший він мертвий. І ви, як спостерігач, розділяєтеся разом з ним. Один ви в одному всесвіті бачите живого кота, інший ви в іншому всесвіті бачите того ж кота мертвим. От кому з дослідників дістанеться яка з гілок реальності - це питання випадковості. Дослідник може лише з впевненістю сказати, в якій гілці він опинився в минулому, але він не знає, в якій гілці він опиниться далі. І по-третє, квантова механіка стає довершено і математично строга. Вже немає ніяких зовнішніх правил. Все знаходиться всередині рівнянь. Той самий колапс в Копенгагенській інтерпретації був пришитий білими нітками, а тут у Еверета його немає. Є тільки рівняння. Ті рівняння працюють і все. Звичайно, що ця ідея не належить одному Гюверту. І багато інших фізиків теж працювали над багатосвітовою інтерпретацією і теж зробили дуже багато різних внесків в цю гіпотезу, в цю інтерпретацію. Її доповнювали, її уточнювали. Наприклад, Девід Дойч, це один з піонерів квантових обчислень, вважав цю інтерпретацію найкращою і відстоював саме її. Або Брайн Грін - це один з творців теорії струн, про яку я згадаю трохи далі. Або Джон Віллер. Це дійсно видатна, це недооцінена особистість. Це один з творців атомної бомби, атомної зброї. Це винахідних таких термінів, як чорна діра і крутовара. Це, до речі, науковий керівник Юверета. Це віде відомий творець експерименту Віллера з відкладеним вибором. Це це це випадок, коли система обирає, в якому вона стані була під час експерименту. вже після того, як експеримент був проведений, тобто з майбутнього система керує сама собою в минулому. Ну і багато-багато інших вчених, вони теж дісталися, зробили великий внесок у популяризацію, у дослідження багатосвітової інтерпретації. Це чудова інтерпретація, але, звичайно, і у неї також є слабкі сторони, і вони досить серйозні. Ми ніколи не бачимо інші гілки реальності. Декогеренція, розпад хвильової функції робить їх для нас недоступними. Тобто перевірити, зазирнути в інший всесвіт ми не можемо, а наука таке дуже не полюбляє. Це вже більше схоже на релігійний догмат. Вірте, що всесвіт ділиться, але довести цього ви ніколи не зможете. Ви ніколи не зможете поспілкуватися з іншим собою, який зробив у своєму житті, ну, якісь інші вибори. Може, більш вдалі, може, ні. У вас це ніколи не вийде. І по-друге, у інтерпретації Еверета є проблема з ймовірностями. Якщо відбувається абсолютно все, то що означає фраза ймовірність певної події, наприклад, 30%. У якій формі ця ймовірність існує? Тобто, що це означає? Всесвіт розділяється на 100 варіантів, у 30 з них щось трапляється, у 70 не трапляється. Чи як це взагалі пояснити? Як що що взагалі означає? В цій гілці я такийто, а в цих інший я інший. Якщо в мене спостерігача нескінченна кількість і я нескінченно розщеплююсь кожної миті. В цьому плані Копенгаген звичайно зручніший. Є лише один варіант реальності, один електрон. У цього електрона цілком реальні шанси, ймовірності опинитися в різних станах. Е, це досить, е, глибока дискусія. Це одна з найглибших дискусій і найбільш фундаментальних дискусій у фізиці. І це той рідкісний випадок, коли правду визначають не експериментами, а спільною думкою вчених, ну, так би мовити, голосування. До речі, таких голосувань було проведено досить багато. От я наводжу результати одного з таких голосувань. Тобто відомих фізиків опитали, яку інтерпретацію квантової механіки вони особисто вважають найкращою і якою вони особисто дотримуються. От ви бачите, 13 людей обрали Копенгаген вірност на інтерпретації. Вісім людей от обрали множини світ. Декілька обрали інші менш відомі варіанти, а от найбільша кількість людей, 18, просто сказали: "Ми не знаємо". В чомусь ми не знаємо насправді ближче до нульової інтерпретації. Shut up and calculate. Не замислюйтесь, не думайте, не намагайтеся інтерпретувати, як працює світ. Просто вирішуйте прикладні практичні завдання і все. Якщо ви це не можете зрозуміти і не намагайтеся це зробити. Але давайте все ж повернемося до багатосвітової інтерпретації. Вона не говорить насправді, що там десь є інший я, інший ти, який став там рок зіркою, чи інший ти, який купив собі іншу машину, чи там, не знаю, замість вивчення комп'ютерної інженерії присвятив своє життя грі на Мандурі і замість програміста став відомий на весь світ виконавцем українських народних пісень. Ні, такого ця інтерпретація не каже. Це не якісь виміри паралельні, це не портали, це не космічна павутина реальності, це не мультивсевіт від Marvel. Ми не можемо подорожувати в цьому багатошаровому всесвіті через якісь магічні портали. Це математичні компоненти загальної хвильової функції, які перестали між собою взаємодіяти. І вони реальні в тій самій мірі, як реальна хвильова функція, не більше і не менше. Тобто ми відмовилися від колапсу, але замість цього ми отримали всесвіт, що нескінченно розголошується. І якби ми не ставилися до Еврета, як би ми не ставилися до його ідей, вони змушують нас замислюватися. Якщо квантовий світ справді такий, в якій гілці саме зараз я читаю цю лекцію і що в цей час роблять інші я, можливо, більш вдалі чи навпаки, яким не так пощастило у житті? І парадокс інтерпретації Еверета насправді дуже цікаві. А найбільш цікавий з них, на мою думку - це парадокс про квантове безсмерття. Квантове безсмерття - це, мабуть, найбільш провокативний, логічний наслідок багатосвітової інтерпретації. І я щоразу наголошую, це не фізика, це філософська ідея, яка знаходиться десь на межі з уявним експериментом. Ідея квантового безсмерття, е, з'явилася як продовження ідеї так званого квантового самогубця. Це, знов таки, уявний експеримент. От уявіть собі певного експериментатора. Ну, зазвичай це якийсь гіпотетичний вчений з дуже поганим інстинктом самозбереження, який забажав себе відчути котом Шретінкера. І він ставить на собі пристрій, який у 50 випадках його вбиває, а у 50 випадках залишає живим. Причому він повторює це раз за разом і знову, і знову і знову. Коли ми кажемо про Кобенкагенську інтерпретацію, то там результат досить очевидний. Після певної кількості повторень експериментатор скоріш за все загине. Може не відразу, але якщо він буде дуже наполегливим, то його колеги обов'язково дочекаються цього моменту. Але в багатосвітових інтерпретацій все інакше. Там немає колапсу, там є розгалудження. Кожного разу, коли експериментатор запускає на собі цей пекельний пристрій, відбувається два випадки, два розгалудження. В деяких гілках реальності експериментатор гине. В інших гілках реальності експериментатор виживає. І що найважливіше, особистий досвід спостерігача ніколи не буде включати гілку, де він помер. Експериментатор може відчути лише ту гілку, де йому пощастило. Тобто зсередини йому буде здаватися, що він завжди виживає. Навіть якщо об'єктивно він би був мертвий. 99,999999% реальностей розгалуджень. З його власної точки зору він рухається лише по тих гілках реакції, де він завжди живий. По інших реальностях він не рухається. Оце її назвали квантовим безсмертм. Людина не може померти для себе. Людина для себе завжди продовжує жити. Завжди існують певні ймовірності, певні реальності, у яких людина залишається жива. І так як строгої ймовірності жодної події не існує, у своїй власній гілці реальності кожна людина буде жити нескінченно довго. Померти можуть всі відразу, але не те саме. Кожна людина безсмертна, але тільки в своїй власній гільці реальності. Звучить це, мабуть, трохи моторошно іле і неправдоподібно, але це не протирічить жодному з уявлень сучасної квантової фізики. Якщо, звичайно, що припустити, що Еверет був правий. А Бор з Гейснбергом помилялися. Ну, але тепер, якщо все так чудово, то я змушений, на жаль, надати певний холодний душ. Чому навикова спільнота ставиться до цієї ідеї з величезним скептисом? Причина проста, зрозуміла і очевидна. Ви не можете перевірити це експериментально. Ви не можете поспостерігати поспостерігати за іншими гілками. У вас немає доступу до статистики, скільки разів я помер, а скільки разів я вижив. Будь-яке підтвердження, будь-яке спростування не досяжні. Інші дослідники будуть бачити, що ви завжди помираєте. Достукатися до того особливого вас, якому пощастило весь час виживати, вони не зможуть. Саме тому це не наука, це філософська гра. Так, вона не протирічить на науці, не суперечить науці. Вона цілком може виявитися вірною, але проводити над собою такий досвід жоден нормальний вчених ніколи не стане. Отже, квантова безсмерття - це наслідок логіки Еверетта, якщо її сприймати максимально буквально, тобто ідеї, що наш всесвіт весь час розщеплюється на нескінченну кількість інших світів. Це не експериментальна фізика, це лише уявний експеримент. І зрозуміло, що я нікому зі слухачів ніколи не пораджу перевіряти квантове безсмертя на власному прикладі. Е, якщо ми кажемо про математику, про математичні рівняння, то станом на зараз з точки зору рівнянь, що багатосвітова, що ймовірнісна інтерпретації абсолютно однакові. Формули ведуть себе абсолютно однаково. Відрізняється лише трактовка цих формул. Чи можливо вигадати, провести якийсь експеримент, який нас переконає у вірності одного з підходів? Я не знаю і ніхто не знає. Я дискутував з прибічниками певних концепцій. Я намагався зрозуміти, чому вони обрали от саме цю. От один мій дуже розумний знайомий написав у своєму Telegram-каналі великий пост, чому він вважає, що багатосвітова інтерпретація - це просто супер, а ймовірностне, щось таке застаріле. Він посилається на, в тому числі, відомий блог про квантову механіку Ельєзара Ютковського, автора однієї з найкращих книжок про раціональне мислення, які я колись читав, Гаррі Поттер та Основа раціонального мислення. Але завжди виявлялося в нашій дискусії що це предмет їх віри. Люди просто обирають, в яку інтерпретацію вони хочуть вірити, що їм особисто ближче до душі: нескінченні ймовірності чи нескінченні світи. Тому що реальних фізичних доказів на користь однієї з тих інтерпретацій станом на зараз не існує. Ну добре, а-а це все філософія. Це недосяжно, це неможливо. Тут ми нічого не знаємо, тут ми нічого не можемо знати, там знань у природі взагалі не існує. принцип, якщо воно все таке загадкове, то а чи можуть взагалі мати оці дивні квантові явища якесь практичне застосування? Можуть, звичайно, можуть. І зараз про деякі ефекти я якраз і розкажу, хоча побічно про них я вже сьогодні трохи згадував. Одне з найбільш загадкових і водночас найбільш фундаментальних явищ в квантовому світі - це квантова заплутаність. Що це таке? Уявіть собі дві частинки, ну, два електрона, два фотона, які колись взаємодіяли між собою. Після цього вони стають заплутаними. Тобто незалежно від того, на якій відстані одна від одніх опиниться, на метри, кілометри, на світлові роки, стан однієї частинки миттєво впливає на стан іншої. І не просто як класична кореляція, коли ми можемо сказати, якщо ми знаємо про одну річ, ми дізнаємося про іншу. Ні. Тут саме властивості частинок не визначених доменту вимірювань. І результат одного вимірювання миттєво, так би мовити, вибудовує стан іншої частинки. Воно виглядає так, е, нібито інформація передається від однієї частинки до іншої швидше за швидкість пілу. Але насправді, якщо все детально подивитися, порахувати, ніякої суперечності з її спеціальної теорією відносності тут немає. І ніхто не може використати оцю квантову заплутаність до миттєвої передачі корисної інформації кудись на інший кінець нашого всесвіту. Ми не можемо вплинути на те, в якому стані опиниться частинка, за якою ми спостерігаємо. Ми можемо лише спостерігати і фіксувати її стан. І оці стани, які ми фіксуємо, от саме вони будуть миттєво, так би мовити, телепортуватися на будь-якій відстані. Тобто ми можемо взяти дві частинки, заплутати їх між собою. рознести в просторі на велику відстань, дізнатися щось про одну і таким чином миттєво телепортувати її стан до іншої. Звичайно, що це не телепортація в класичному сенсі, як її полюбляють зображувати в кіно. Ми не можемо, так би мовити, перекинути людину через кімнату, через портал. Ніхто не зникає в точці А, щоб з'явитися в точці Б. Квантова телепортація означає передачу стану квантової частинки від однієї системи до іншої. Тобто ми можемо відтворити квантову інформацію про певну частинку на іншій частинці, зберігаючи всі її квантові властивості. Оригінал при цьому завжди руйнується. Квантова механіка не дозволяє зробити точну копію. Суперпозиція завжди руйнується. Квантова заплутаність завжди руйнується. Це вмірювання, це руйнація, це некогеренція. Ця процедура, до речі, реально здійснюється в лабораторіях. При цьому телепортується стан частинок на десятки, на сотні, на тисячі кім. Телепортують фотони, телепортують стани атомів, телепортують навіть об'єкти різної природи. Тому що заплутувати насправді ми можемо будь-що з будь-чим. Ну, принаймні в теорії. Чому це важливо і де це може бути потрібним? Е-е, тому що заплутаність і квантова телепортація - це основа квантових комунікацій. Це явище дозволяє нам передавати інформацію з стовідсотковою гарантією захисту від прослуховування. Будь-яка спроба підглянути всередину, зазирнути в цій квантовий стан, миттєво його змінює. Цю інформацію принципово неможливо перехопити. Вона не передається по дратам. Вона не передається десь ще, вона просто опиняється там, де нам потрібно. Якщо хтось спробує перехопити цю інформацію, він просто зруйнує цей заплутаний стан. Він нічого не дізнається про зміст нашого повідомлення. Чудово, цікаво. Але якщо ми, наприклад, хочемо робити щось інше, якщо ми хочемо, наприклад, проходити крізь стіни, то нам потрібна вже не квантова телепортація, а інше квантове явище, так зване квантове тунелювання. Що це таке? Уявіть собі паркан, високий досвід паркан. Класична фізика каже: "Частинка не може пройти кріз нього, якщо ми не додамо їй достатньо енергії, щоб якось там перекинути зверху". У квантовому світі це не так. Той самий електрон не має положення, тому спочатку він може бути тут, а потім взяти і опинитися там інший бік нашого партану, паркану. І не тільки електрон. Будь-яка частинка може пройти через будь-який бар'єр. Питання лише в ймовірності. І от це проходження через бар'єри, яке забороняє класична фізика і називається тунельним ефектом. Це не рух над парканом, це не рух крізь паркан. Це коли щось було ось тут, а потім раптово взяло і опинилося ось там. Ми особисто тонулювати нікуди не вміємо, тому що наші тіла достатньо масивні, наші стіни достатньо широкі і, на жаль, для нас це недоступно. Але коли ми кажемо про мікрочастинки, то це явище відбувається в мікросвіті весь час. Якщо ми розглядаємо електрон хвилю ймовірності, то він нібито простягається, просочується через бар'єр. Якщо ми кажемо про багатосвітову інтерпретацію, то завжди існують такі гілки ймовірності, де він опиниться з іншої сторони. І тонелювання постійно відбувається в природі при будь-яких рівнях. Можемо почати від сонця. Лише тонулювання дозволяє протонам, наприклад, всередині Сонця з'єднуватися, розпочинати квантові реакції. ядерні реакції, завдяки яким ми маємо і світло, і тепло. Без тонулювання розпалених до величезних температур зірок взагалі б не існувало в нашому всесвіті. І життя на землі, зрозуміло, без тонулювання було б неможливо. А можемо перейти від рівня зірок до нашого власного організма. От, наприклад, основний етап клітинного дихання в нас всередині - це перенесення електронів у дихальному ланцюгу мітохондрій е майже в кожній нашій клітині. І ефективність цього процесу, цього механізму, знову ж таки, забезпечується виключно тонулюванням. Ми існуємо завдяки тонулюванню. Якби квантові частинки не вміли проходити через стіни, через паркани, то і нас би самих не існувало. І звичайно, що сучасні технології теж взяли цей ефект на озброєння і теж його досить широко використовують. Наприклад, майже єдиний спосіб побачити поверхню речовини будь-якої з точністю до окремого атома. це використати скануючий тунельний мікроскоп. Цей мікроскоп читає структуру атомів на поверхні, використовуючи саме тонулювання електронів. Це голка, яка ковзає над поверхнею на певній відстані. І між тією голкою та поверхнею весь час тунелюють електрони. Якщо їх багато, значить відстань мала. Ми близько до поверхні, нам треба трохи віддалитися. Якщо їх раптом стає дуже мало, то ми далеко від поверхні. І навпаки нам треба то трохи наблизитись. І от ось так ковзаючи весь час над поверхнею, ми можемо зняти карту її реєфа на рівні яких не досяжених жодному оптичного міроскопу. Але тонелювання - це не завжди щось корисне. Іноді навпаки. Тунелювання нам досить сильно шкодить і іноді нам з ним доводиться навіть боротися. Наприклад, з тим самим тонелюванням пов'язана не дуже гарна властивість сучасних флеш-накопичувачів, сучасних твердотільних дисків, SSD-дисків з часом втрачати інформацію, тому що записані там в комірках заряди з часом можуть самовільно тинулювати через бар'єр. І коли на старому смартфоні, наприклад, починає працювати щось у вас дуже повільно, з помилками, то це знов таки цілком може бути, що через тонелювання. І взагалі можете сказати, що ми живемо у світі, де частинка постійно проходить через стіни, а ми цього навіть не помічаємо. Ну, заплутаність - це чудово, тунелювання - це ще краще. Але коли ми кажемо про практичні застосування квантового світу, то як нам не згадати про легендарний квантовий комп'ютер? Квантовий комп'ютер - це не якийсь там дуже швидкий класичний комп'ютер. Це зовсім інший спосіб обчислення. Він заснований на тих самих явищах, про які ми вже щойно сьогодні говорили, на суперпозиції, на заплутаності ймовірностей, на відсутності визначених станів до моменту вимірювання тощо, тощо, тощо. Якщо казати дуже простими словами, то весь сучасний цифровий світ, побудований на бітах, це двійкові стани, які можуть набувати лише два значення: нуль або одиниця. Струм тече, струм не тече. Заряд є, заряду немає. Спін вгору, спін вниз. Магнітний домен вздовж поля, магнітний момент в інший бік тощо. Або так, або так. Ми можемо ці стани додавати, ми можемо їх порівнювати, ми можемо їх інвертувати, ми можемо їх об'єднувати у байти, ми можемо їх записувати, зчитувати, зберігати. І от ці біти разом з операціями над ними і становлять основу всієї сучасної цифрової цивілізації. А от квантові комп'ютери використовують замість бітів квантові біти або кубіти. Як я казав, квантові частинки, а кубіти до них відносяться, не мають стану до того моменту, як відбувається колапс. Причому вони можуть бути в декількох станах одночасно. Суперпозиція. Якщо казати конкретно про кубіт, то це суперпозиція нуля і одиниці одночасно, причому не просто десь між ними, а в конкретному співвідношенні. І квантовий комп'ютер не перебирає всі стани паралельно, а він містить повну інформацію про всі можливі стани одразу. І ця інформація схована в його хвильовій функції, в хвильовій функції його кубітів. Інструмент, який для цього він використовує - це та сама заплутаність. Заплутані кубіти не можна описати окремо. Їх спільний стан є єдиним тілем. Це дозволяє нам будувати операції, де дія на один кубіт миттєво змінює структуру всієї хвильової функції нашої системи. І саме квантова заплутаність робить квантові алгоритми надзвичайно потужними. Вона формує складні кореляції. які класичні машини не можуть ефективно моделювати. Наприклад, якщо ми кажемо про криптографію, то основа всієї сучасної криптографії - це ідея, що якщо ми знаємо два простих числа, ми можемо дуже легко знайти їх допуск добуток. От перемножили, отримали, наприклад, там * 3169 = 11 316499. Це може порахувати навіть мала дитина, яка засвоїла там, не знаю, множення в стовпчика. А от знаючи добуток двох простих чисел, ну, от, наприклад, 1 841 447521, нам дуже важко знайти ці числа. Нам треба перебирати всі можливі варіанти, поки ми не знайдемо те, що потрібно. Тому ми можемо дуже легко закодувати повідомлення і нам дуже важко його без відповідного ключа розшифрувати. А от для квантових комп'ютерів це не так. Для квантових комп'ютерів існує так званий алгоритм Шора, який дозволяє робити це значно швидше, ніж будь-який класичний алгоритм. Квантовому комп'ютеру не потрібно ділити на 2, 3, 5, 7, 9, 13, 17 і так далі по черзі. Він може поділити на всі числа одночасно, суперпозиційним числом. І це теоретично досить велика загроза для сучасної криптографії. Це не паралельні обчислення. Якщо казати науковими термінами, це квантове перетворення фі зі знаходженням періоду. Це складна річ, але вона реально працює. Реалізувати, звичайно, що поки що це достатньо важко через невелику потужність квантових комп'ютерів, але люди це розуміють і вже зараз готують алгоритми на випадок, коли нам треба буде змінити сучасну криптографію на щось квантове стійке, що навіть квантові комп'ютери не зможуть швидко зламати. Або існує, наприклад, алгоритм Гровера, який дозволяє, ну, наприклад, прискорювати пошук в певних невпорядкованих базах даних у величезну кількість разів. Квантовий комп'ютер може бути використаний для моделювання квантових систем. Е, відомий фізик Річард Фейман ще у 80-х роках сформулював ідею, що якщо природа сама квантована, а вона такою і є, то її поведінка ефективніше моделюється машиною, яка працює за тими самими квантовими принципами. Це стосується фізики, хімії, матеріалів, ліків, провідників, надпровідників, тощо, тощо, тощо. Майже всюди, де відбуваються квантові процеси. Звичайно, що квантовий комп'ютер - це не панацеї від цього. Він має величезну кількість проблем. І саме через ці проблеми, на жаль, поки що вони не реалізовані в повній мірі. По-перше, для того, щоб квантовий комп'ютер працював, ці кубіти мають бути в квантовому заплотненому стані, а цей стан дуже легко знищується від найменшої взаємодії з навколишнім середовищем. один невірний фотон і все, оця суперпозиція миттєво падає. Тому для роботи квантових комп'ютерів ці апарати охолоджують до надзвичайно низьких температур, температур близьких до абсолютного нуля. Ці кубіти знаходяться в магнітних пастках, е, в певних надпровідних структурах, щоб ніякі зовнішні поля ніяк не завадили їх роботі. Е, і квантові кобіти набагато тендітніші, ніж класичні. Квантова кореляція потребує багато фізичних кубітів, щоб створити один логічний, сотні, іноді навіть тисячі. А створити кілька навіть десятків кубітів, які працювали стабільно, вже складно. Для того ж алгоритма Шора, для того ж нам потрібно вже тисячі логічних кубітів, а це десятки, це сотні тисяч фізичних. Тому хоча зараз квантові процесори, квантові комп'ютери вже реально існують і бар'єр у кілька сотень кубітів вже майже подолано, але поки що це не універсальні машини, це лише певні прототипи. Вони мають величезну кількість обмежень. Так, є задачі, де вони достатньо гарні, але поки що ці задачі достатньо штучні і ті задачі не мають такого вже великого практичного застосування. І хоча потужність квантових обчислень людством поки що не використано до кінця, потенціал квантового світу для передбачення реальності завжди був величезний. Так, дійсно, поки що ми не можемо телепортувати реальні тіла. Ми можемо лише телепортувати їх в стани. Ми не можемо запускати на квантових комп'ютерах великі лінгвістичні моделі. Але навіть без цього сам потенціал квантового світу дає нам можливість передбачати реальність на рівнях, які до цього вважалися неможливими. І квантова механіка іноді передбачає речі, які на момент передбачення здаються, ну, м'яко кажучи, повним безумством. Але потім виявляється, що саме так і працює наш світ. І от про деякі приклади цього я хочу розказати. Але для цього нам знов доведеться повернутися назад в минуле. Уявіть собі, кінець 1920х років. Квантова механіка вже існує, але вона ще не зовсім коректна з точки зору спеціальної теорії відносності. Тобто вона некоректна з точки зору ідеї, що час і простір залежить від швидкостей. Як я завжди кажу студентам ритуальну фразу, коли ми проходимо рівняння Шротінгера, рівняння Шротінгера працює тільки для нерелятивістських частинок без спіна. А що таке спін, я вам розкажу трохи далі. Звичайно, що це проблема і цілком очевидно, що хтось ідею про відносність простору часу мав до квантового світу додати. І тут на сцену виходить відомий британський фізик Польрак, який з абсолютно базових, дуже простих міркувань пише, знов таки надзвичайно просту формулу, яка, на мою думку є абсолютнішим шедевром математичної краси квантового світу. Вона не просто описала майже весь наш світ, а вона передбачила існування, так би мовити, паралельного з ним антисвіту. Зрозуміло, що таке відкриття цілком заслуговувало Нобелівську премію і вже через 5ть років після цього відкриття Дірак її отримав. За мірками фізики це майже миттєво. Головна заслуга цього рівнянь у тому, що воно дозволило існування не тільки звичайних станів електронів, а і певних дзеркальних станів, які мають негативну енергію. Що це таке? От куди класти ті мінус електрони і взагалі як частинка може мати негативну енергію? Нам здається, що такого не може бути. Якщо ми рухаємося, у нас енергія позитивна. Якщо ми не рухаємося, наша енергія нульова. Як вона може бути від'ємна? Для того, щоб це пояснити, Дірак запропонував ідею так званого моря, яку, на його честь так і назвали морем Дірак. Він собі уявив, що вакуум - це не зовсім порожнеча, що вакуум можна уявити як поверхню певного величезного моря, де заповнені всі стани з енергією нижче поверхні. нібито безмежний океан антиелектронів. Наш реальний світ - це те, що над цією поверхнею. Якщо ми один стан вибиваємо назовні, тобто як ми дістаємо частини води з океану, то там на її місці утворюється дірка, утворюється порожнеча такого ж розміру енергії, як і сам електрон. І ця порожнеча поводить себе як справжня частинка, але з протилежним зарядом. Тобто рівняння Дірака передбачило антиелектрон або його інша назва позитрон. Вона його передбачила суто з математичних міркувань. Звучить як фантастика. Антисвіт, який лежить поруч з нашим, але зі знаком мінус у всіх потрібних місцях під поверхнею нескінченного моря, яке заповнює весь простір. Але ми його не відчуваємо. І жодних доказів існування цього моря, цього океану немає, крім як певне математичне рівняння і його досить дивний результат. А от пройшло кілька років і вже у 1932 році відомий американський вчений Карл Андерсон дійсно цей дивний невідомий антиелектрон відкриває експериментально і за чотири роки після цього він у Віті 30 років дуже молодим отримає чергову Нобелівську премію. Можна лише уявити враження фізиків того часу. От в нас є чисто математична конструкція. Це просто рівняння, яке було народжено для того, щоб певні порівняти, врятувати обмеження спеціальної теорії відносності. І раптом це рівняння передбачає реальну частинку і стає чимось реальним. Світ і справді має свою антиверсію. Античастинки в реальності існують і вони існують обов'язково. Якщо теорія об'єднує квантованість і відносність, причому частинки і античастинки завжди народжуються і зникають тільки парами. Ми не можемо вибити з поверхні цього моря дірака електрон, щоб там не залишилося місце для дірки позітрона. Так само ми не можемо знищити електрон, якщо ми його занурюємо в це море, якщо там немає для нього вільного місця. Ті процеси у фізиці мають назву народження пари і анігіляція. Але суть у них абсолютно однакова. Це або виривання певної частинки з утворенням її протилежності, або взаємне знищення частинки і античастинки. І отут з цього математичного шаху почалося ціла нова епоха. Це епоха квантових теорій поля. Їх існує декілька для різних полів. Це ідея про те, що всі частинки нашого всесвіту - це збудження певних полів. І у кожної частинки є свій антиблизнюк. Не тому, що так комусь захотілося, а тому, що просто математика нашого всесвіту по-іншому не працює. І крім моря Дірака існують інші моря, з яких можуть утворюватися і в які можуть зникати всі частинки, які існують в нашому світі. В певний момент історії фізики стало зрозуміло, якщо вже квантова механіка передбачає античастинки, а рівняння працюють лише тоді, коли ми трактуємо електрон збудження певного електронного поля, то, можливо, і весь наш світ побудований саме так. Можливо саме поля - це фундамент, а частинки - це лише певні хвилі на цій поверхні. Це і стало основою квантових теорій поля. В реальності всіх частинок, про які ми думаємо, як про кульки чи хвильки, не існує. Фундаментом нашої реальності є поля. Ці поля заповнюють весь простір. Поля можуть збуджуватися. І саме ті збудження ми бачимо, як електрони, атоми, носороги, жирафи, гори, зірки, тощо, тощо, тощо. Поле є первинним елементом матерії. І саме з цієї логіки народжується перша завершена квантова теорія поля, яка називається квантова електродинаміка, тобто теорія електромагнітної взаємодії. Саме вона пояснює, як електрони спілкуються зі світлом, як утворюються спектри атомів, чому працює магніт, чому взагалі атоми стабільні. Тобто у квантовій теорії поля немає частинок в класичному сенсі є лише поля. А частинка - це просто окремий квант. окремий збуджений стан певного поля. Ми не живемо в царстві частинок. Ми живемо у всесвіті полів. І ці поля існують абсолютно всюди, навіть там, де жодних частинок немає. А далі стало ще цікавіше. Як виявилося, у квантовому світі існують ще дві взаємодії, які ніяк не можна звести до чогось, що нам звично. Вони дістали назву слабка та сильна, тому що одна з них сильна була в сторозі сильніша за електромагнітну, а інша слабка набагатобагатобагато порядків слабша за неї. Ее я не буду зараз вдаватися в подробиці, описувати їх детально. Наша лекція і так вже вийшла дуже довгою, вже більше ніж півтори години, а ще залишається на півгодини матеріалу. Крім того, в мене є ціла лекція про фізикуе елементарних частинок, де я детально кожну з них описую. Я описую всі взаємодії, я їх класифікую, я їх порівнюю між собою. Для нашої лекції в даному випадку важливо просто, що ці взаємодії є. І люди замислились: "Якщо електромагнітну взаємодію вдалося описати певним полем, то чому б сильну і слабку взаємодію теж не описати так само?" І вони це зробили. Так з'явилися калібрувальні теорії слабкої і сильної взаємодії, які були побудовані на тих самих принципах. Сильна взаємодія через кварки і гліони. Це фундаментальні частини матерії, які утворюють протони і нейтрони, з яких ми всі складаємось. Слабка взаємодія через так звані W і Z базони, weak and Zero Bzons, які хоч і здаються, ну, не такими важливими, але відіграють теж величезну роль в нашому всесвіті. Але чому ми називаємо оцю слабку, сильну, електромагнітну різними взаємодіями? тому що вони є квантовими збудженнями різних полів. Дуже науково неточно можна вважати, можна уявити собі, що весь наш всесвіт заповнений кількома морями, які накладені одне на одне. Із кожного з цих морів можна дістати свої типи частинок. Хоча, звичайно, що зараз море Дірака цікаво фізикам лише в історичному аспекті. Ніхто зараз так наш світ не уявляє, але для наочності можна це зробити. В результаті ми отримали дуже вишукану, дуже об'єднану структуру, яку ми зараз називаємо стандартною моделлю. Це дозволило нам передбачити існування цілої купи абсолютно нових частинок. Отой самий базон Хікса, наприклад, яких надає всім іншим частинкам масу. і взагалі описати наш світ на настільки глибокому рівні, що вже далі здається, ну, просто немає куди. І от саме в цьому ме місці завжди хочеться зробити певний невеликий акцент. У попередніх моїх лекціях я вже говорив про ранній всесвіт. Колись, відразу після великого вибуху, 13,7 млрд років тому, усі ті взаємодії були однією і тією самою взаємодією. не було окремого електромагнітного поля, окремого слабкого поля, окремо сильного поля. Світ був єдиним полем, яке потім по мірі охолодження всесвіту розщепилася на чотири знайомі нам поля і сили. Тобто існування різних полів, різних частинок - це не фундаментальна властивість всесвіту. Це властивість його стану саме тут і зараз. Колись було тільки одне поле, потім їх стало два. Потім три і нарешті чотири. Тобто буквально у нашому світі немає нічого, крім полів і їх спучень. Все. Матерія - це не фундамент. Фундамент - це поле. А ми всі з вами - це лише складні візерунки і складні збудження от в океані цих нескінченних полів. І з цього виникає інший погляд на те, що таке взагалі вакуум. От здавалось би, що таке порожнеча? На перший погляд, порожнеча - це ніщо. Це нічого. Це повністю пустий простір. Ми звикли уявляти вакуум як абсолютну порожнечу. Там немає частинок, немає енергії, нічого немає. Але у квантовому світі ця уява повністю ламається. Вакуум ніколи не є порожнім. Навіть там, де ми нічого не бачимо, поля існують всюди, без перерви. Електромагнітне поле, поле електронів, кварків, нейтрино, всі вони присутні завжди, навіть якщо ми не спостерігаємо частинок у цьому обхімі. І це не просто красивий образ. Ці поля весь час флуктуюють. Вони весь час народжують так звані віртуальні частинки, які з'являються і зникають в порожнечі на дуже малі долі секунди. Це як хвильки на морі. Ми їх не можемо побачити неозброєним оком, але їх ефект цілком відчутний. Е, наприклад, існує так званий ефект казиміра. Що це таке? От у нас є, уявіть собі, дві пластинки. Ці дві пластинки розташовані дуже близько один до одної в вакуумі. Як виявляється, ці пластинки притягуються одна до одної. Не тому, що між ними діє якась сила, між ними немає ніякої сили. Це виникає виключно через флуктуації квандових полів. Це квантовий ефект без жодного класичного пояснення. Навколо цих пластин утворюється трохи більше віртуальних частинок, ніж всередині між ними. І вони тиснуть одна до одної. Це саме тиск квантових полів. У цієї сили немає джерела. сам вакуум стискає об'єкти між собою. Це означає, що наші уявлення про порожнечу, як про як про ніщо, абсолютно невірні. Навіть порожній простір у квантовому світі повний різної активності. І саме ця фундаментальна особливість дозволяє всьому існуючому у всесвіті взаємодіяти. Саме через це народжуються частинки, взаємодіють поля, відбуваються колапсих польових функцій. Порожнеча - це не нуль. Порожнича жива, вона весь час кипить. Наш світ - це сутільне кипляче поле, яке весь час щось породжує, і в той же час це щось і зникає. І саме на цьому фоні особливо яскраво виділяється одна сила, що не підкорюється квантом опису, яку не вдалося вклеїти в стандартну модель і яку ніяк нам не вдалося квантувати. Це гравітація. Я весь час казав: "Чотири поля, чотири фундаментальних взаємодії, але перелічив лише три з них: електромагнітну, сильну слабку". Вони три: чудово квантовані. Для них існує чудове і повне розуміння, що воно таке. А що ж буде з четвертою стяжінням? Це єдина взаємодія, яка вперто відмовляється стати квантовою. Це єдина взаємодія, де немає завершеної теорії з квантовими полями. Це єдина взаємодія, яка наче там десь стоїть збоку і посміхається, як злий викладач на іспиті. Ну що, ви думали, вже все? Ага, чаас. Зараз я вас ще трохи помучу. І вона продовжує, продовжує, продовжує зводити фізиків з розуму, даючи абсолютно безглузді результати. Якщо спеціальна теорія відносності і квантова механіка досить гарно ладнають між собою і Дірак це легко показав у своїй рельтивійській квантовій теорії електрона, то з загальною теорією відносності справи ідуть зовсім інакше. Тут ми зустрічаємо глухий кут сучасної фізики. І вихід з цього кута насправді навіть станом на зараз досі не проглядається. Якщо ми кажемо про загальну теорію відносності, то гравітація в цій теорії - це не сила в класичному розумінні, це геометрія простору часу. Маса і енергія викривлюють простір, викривлюють час і тіла рухаються по цій кривізні. Сам по собі простір час гладкий, він безперервний. Це якесь величезне полотно, яке дуже плавно деформується. Якщо немає мас, то немає нічого. В нас ідеально плоский світ без жодних флуктуацій. А от квантовий світ - це повна протилежність. Там немає ніяких гладких просторів. Там є дискретні збудження полів. От всі ті кванти, частинки, які весь час виникають, зникають. От оце кипляче поле всього всесвіту. І коли ми намагаємося об'єднати гладкий всесвіт загальної теорії відносності та весь час киплячий всесвіт квантової теорії поля, то виходить повна неситниця. Спроба об'єднати їх у єдину квантову гравітацію веде до нескінченності, які ніяк не можна підчистити відомими методами математики або фізики. І вся теорія, яка була намер зроблена до інших взаємодій тут повністю безсила. Саме від цієї проблеми ідуть наші неповні знання про великий вибух та про те, як народився наш всесвіт. Загальна теорія відносності описує перші миті розширення нашого всесвіту, коли простір час був надзвичайно кривим. В той час енергія була майже нескінченна і в той час квантові ефекти мали мати величезне значення. Але теорія квантової гравітації людьми ще не створена. Ми не знаємо, що було тієї миті. Ми не знаємо, що відбувалося на самому початку. Ми не знаємо, як розбити от цю силу тяжіння, це поле на окремі частинки і описати їх квантовим чином. Чи існують спроби це зробити? Чи існують спроби об'єднати квантову механіку гравітацію, щоб знайти оцю легендарну теорію всього, як звичайно, що існують. Сучасна фізика намагається закрити оцю величезну прірву між квантовим світом і світом гравітації, яка існує з часів Дірака і Айнштейна. Іноді трохи вдало, іноді не зовсім вдало. Перша велика спроба, яка була зроблена, щоб поєднати ці теорії - це так звана теорія струн. Ідея теорії тієї теорії наступна. Е, всі фундаментальні частинки, які існують в нашому світі - це не точкові об'єкти. Це маленькі такі струни, замкнені струни, що коливаються. І різні типи коливань цих струн ми бачимо як різні частини. Причому вони коливаються не в нашому просторі і часі, а десь ще в якихось інших вимірах. Е, щоб все це працювало математично, наш світ має мати значно більше вимірів, ніж ми спостерігаємо. Ну, наче сучасні теоретики дійшли до того, що цих вимірів має бути 10 або 11, але неточно. І от всі ці додаткові виміри, крім звичних нам чотирьох: довжина, ширина, висота і час, вони згорнуті, вони не проявляються, але саме вони породжують всю матерію. Це не єдина спроба об'єднати квантовий світ і гравітацію. Друга спроба - це петльова квантова гравітація. Тут підхід зовсім інший. Замість того, щоб додавати якісь нові виміри, фі фізики дискретизують, квантують простір і час. Простір і час уявляють як величезну мережу певних вузлів і зв'язків, так званих петель. Кожна петля - це мінімальна одиниця геометрії. Вона не гладка і неперервна, як у загальній теорії відносності, а квантується. Тобто за цією теорією ми живемо у деякому, ну, можна сказати, цифровому, дискретному світі. А деякі вчені навіть намагаються використовувати це як аргумент на користь того, що весь наш світ - це певна симуляція якогось надпотужного суперкомп'ютера. Ну, звичайно, що це більше жарт, але дискретність нашого простору і часу насправді цілком можлива. Існує третій підхід. Він теж досить дивовижний. Це так званий голографічний принцип. Ідея така: весь об'єм нашого всесвіту можна описати через інформацію на його межі, як певне голографічне зображення. простір часу, ця сама гравітація, все, що ми вважаємо реальним, фактично виникають з цієї інформаційної поверхні. За цим підходом наш всесвіт - це якась гігантська квантова голограма. Тобто ми всі є картинкою, а реальністю є не взаємодія всередині всесвіту, а зображення на поверхні цього всесвіту. Існують інші теорії, менш відомі, але чому, якщо їх так багато, поки що немає єдиної теорії, тому що знов таки всі ці підходи не мають експериментального підтвердження. Вони математично красиві, вони логічно виважені, вони передбачають навіть досить цікаві речі, але перевірити їх прямо зараз наявними приладами ми не можемо. Ми не можемо зазирнути в 11 вимірів квантової теорії струн. Ми не можемо зафіксувати дискретність часу і простору. Ну, а про голографічний принцип я навіть не кажу. Навіть важко уявити, як взагалі перевірити, що ми всі живемо у величезній голограмі. Отже, фізика намагається поєднати оцей гладкий простір, гладкий континуум загальної теорії відносності і дуже дискретну квантову реальність. Ми знаємо шлях, але кінцеву карту Всесвіту поки що нам лише доведеться намалювати. Поки що в нас її немає. Це все чудово. Але чи не може бути так, що всі ці дивні ефекти - це лише вигадка всяких різних там розумних? Ми можемо озернутися по сторонам. Де всі ці ефекти навколо? От весь весь цей квантовий світ, де Так, навколо нас їх немає. Так, ми не бачимо квантових ефектів безпосередньо. Чому ми їх не бачимо? Е, тому що існує явище, яке називається декогеренцій. Я про нього вже, до речі, сьогодні згадував, але не пояснював більш детально. Це ситуація, коли квантові системи взаємодіють з навколишнім середовищем. Мільярди атомів, молекул навколо, так би мовити, спостерігають ваш електрон або фотон. І його, е, кульова функція миттєво розсіється якось в класичний стан. Це схоже трохи на колапс, але це не він. Це не зовсім той колапс, про який я казав раніше. Це, на відміну від колапса, не миттєвий, а поступовий, теоретично обернений процес. Ее саме завдяки оцій декогеренції наш макросвіт, в якому ми живемо, я, яблука тощо, він виглядає класичним і зрозумілим. Тобто яблуко з дерева завжди впаде вниз, м'яч буде завжди котитися згори теж кудись. Ми ходимо по землі, а не літаємо десь у невизначеності. Але квантові явища, хоча ми їх не спостерігаємо, вони всюди присутні. Вони оточують нас з усіх боків, навіть якщо ми про це навіть не здогадуємося. Вони лежать в основі всіх майже технологій, якими ми користуємось щодня. Оці самі лазери. Лазери - це когерентні квантові переходи атомів, лазерне випромінювання - це суток квантовий ефект. І без появи ідеї про квантованість станів ніколи б лазерне опромінювання не було відкрито і б створено. Транзистори в наших телефонах, в наших комп'ютерах. От всі ті зони в напівпровідниках - це теж квантовий ефект. Магніторезонансна томографія, МРТ, ядерний магніторезонанс - це теж квантова технологія. Ца сучасне життя взагалі не можливо без квантових ефектів. От ваш телефон - це концентрований набір квантових явищ. Тут є і транзистори, і екрани на діодах. Датчики, ваші камери, вони працюють за законами квантової фізики. І навіть там, де вам здається, що квантових ефектів не має бути, отой самий GPS, ну, яка там добіса квантованість, але і там квантові ефекти присутні. Бо, наприклад, для глобального позиціонування нам необхідні дуже точні годинники, атомні годинники, які працюють за суток квантовими принципами. Якщо зараз таких технологій багато, то в майбутньому їх буде ще більше і вони будуть проявляти себе ще яскравіше. оті самі квантові комп'ютери, які здатні обробляти величезну кількість інформації одночасно, квантові сенсори, квантові комунікації, які забезпечують абсолютну безпеку передачі даних тощо, тощо, тощо, тощо, тощо. Але варто розуміти головне, квантові закони нашій інтуїції не підкорюються. Ми звикли мислити образами. Кулька, хвиля, траєкторія. Квантовий світ так не описати. Квантовий світ описується математично, через ймовірності, через оператори, не через звичні нам образи. Саме тому він здається нам досить парадоксальним. І саме ця математична абстракція дозволяє нам робити передбачення точними до надзвичайної степені. Хоча ми ніколи не побачимо електрон, бо він не має вигляду. Ми ніколи не побачимо, як електрон проходить через дві щілини. Але ми знаємо, де приблизно він опиниться. Квантовий світ - це не просто щось далеке і незбагненне. Він всюди. Він формує нашу реальність. І цілком можливо, що навіть наше мислення - це теж квантовий процес. Е, що вважали люди раніше? В одній зі своїх минулих лекцій я розповідав про відомий уявний експеримент, який був запропонований на початку 19 сторіччя про так званого демона Лапласа. Демон Лапласа - це один з найбільш відомих уявних експериментів класичної фізики, якому вже більше ніж 200 років. Ідея цього експерименту була дуже проста. От уявіть собі, що існує якась істота, яка знає абсолютно все про положення і швидкість всіх частинок в нашому всесвіті. І якщо ця істота дуже розумна, якщо вона може обрахувати їх рух за законами механіки, то вона б могла б передбачити і минуле, і майбутнє Всесвіту з абсолютною точністю. Тобто ніякої свободи волі не існує. У класичній фізиці все детерміновано, немає ніяких випадковостей. Все рухається за заклином Ньютона і майбутнє зафіксовано так само, як і минуле. Весь наш всесвіт від початку його існування до кінця його історій вже визначених. І ми не вирішуємо свою долю. Ми є лише акторами, які лише живуть за записаним кимось сценарієм. А квантовий світ цю ідею ламає. Тут немає вже ніяких абсолютних траєкторій. Тут немає визначених положень і швидкостей. І цей демон Лапласа взагалі не може щось знати про наш світ, тому що наш світ не визначений. Світ заповнений випадковостям і ймовірностями. І навіть якщо ми знаємо про хвильову функцію, вона передбачає лише ймовірності результатів, а не точні результати. І жоден демон Лапласа тут безсилий. Він не може передбачити все, бо результати квантових процесів принципово випадкові. І це дуже важливо з точки зору філософії, бо саме квантовий світ доводить, що свобода волі ніяк не суперечить фізиці. Майбутнє не запрограмовано, майбутнє відкрито для ймовірності. І це не проблема нашого спостереження, це не помилка приладів, це саме властивість всесвіту. Ну, так що з появою квантового світу Демона Лапласа вже був час йти кудись у відставку. І у квантовому світі майбутнє ніколи не може бути передбачене абсолютно точно. А деякі вчені, вони йдуть ще далі, вони намагаються саму нашу свідомість пов'язати з квантовими процесами. Що ти це взагалі таке свідомість? Чи може свідомість бути квантовим об'єктом? Чи підкорюється вона законом? які описали вже для електронів і фотонів. Тут думки насправді досить радикально різняться. І однією з найбільш відомих спроб пов'язати свідомість з квантованістю є ідеї відомого фізика-лауреата Нобелівської премії Роджера Пенроуза. Пенроуз запропонував ідею, що квантові явища можуть мати ключове значення для роботи нашого мозку. Не в тому сенсі, що там електрони думають, а в сенсі того, що суперпозиції і колапси всередині нейронів нашому головному мозку можуть впливати на наш свідомий вибір. Іншими словами, мозок може використовувати фундаментальну невизначеність квантового світу для того, щоб створювати справжню, а не класично детерміновану свободу волі. Ця ідея, звичайно, що досить контроверсійна. По-перше, мозок досить великий, він дуже теплий, він дуже шумний. Квантові суперпозиції досить швидко руйнуються в ньому через дековеренцію. По-друге, в нас немає жодних експериментальних підтверджень, що когнітивні процеси людини дійсно якось залежить від квантових ефектів. Але хто знає, може Педроус правий, може ми дійсно думаємо квантовим чином. І навіть якщо ідеї Пенроуза не підтвердяться експериментально, вони змушують нас по-новому дивитися на межі науки і на межі того, що ми називаємо свідомістю. Лекція вже вийшла дуже довга, і я думаю, що багатьох вже достатньо втомив. І хоча я міг би продовжувати розповідати ще багато і багато годин, спробую певним чином підсумувати те, про що сьогодні розповідав. Отже, квантовий світ - це не просто дрібні частинки, це не просто хвилі, це фундаментально інший рівень реальності, де діють закони, які не мають жодних аналогів в нашому повсякденному досвіді. Ми не можемо уявити квантові частинки в класичних образах. Електрон - це не куля, фотон - це не хвиля, атом - це не сонячна система, але ми можемо їх описати математично. І цей опис дає передбачення, які точні до надзвичайного рівня. Успішність квантової теорії - це одна з найбільших перемог сучасної науки. Математичні формалізми, які були створені Гейзенбергом, Шрдінгером, Діраком та іншими вченими, на перший погляд здавалися лише чистою абстракцією, але виявилися ідеально пристосованими для опису реального світу. І весь наш всесвіт взагалі - це коливання різних полів, а наші технології - це наслідок використання квантових ефектів. Але водночас, хоча квантова механіка пояснила майже все в нашому світі від дуже малого, перед фізикою стоїть головний теоретичний виклик: поєднати квантованість і гравітацію, створити єдину теорію всього, яка пояснить світ від моменту його народження та узагальнить усі фундаментальні закони світобудови. І от коли це буде створено, а я вірю, що це буде створено обов'язково, то це буде справжня революція в нашому розумінні природи. Якою вона виявиться, я не знаю. Можливо одитивимірною струною, можливо певними дискретними петлями, можливо величезною голограмою, можливо чимось іншим, не знаю. І ніхто з фізиків не знає. Таким чином, квантовий світ - це не лише мікросфт атомів і фтонів. Це серце всього, що ми називаємо реальністю. Саме він відкриває перед нами нові горизонти для пізнання Всесвіту. Ну і мабуть на цій думці я буду завершувати. На цьому все. Сподіваюсь, вам всім було цікаво. Дякую за увагу і до побачення.