То теории по которой все. Квантовая физика

Ярко блестела золотистая осенняя листва деревьев. Лучи вечернего солнца коснулись поредевших верхушек. Свет пробился сквозь ветки и устроил спектакль из причудливых фигур, мелькавших на стене университетской «каптёрки».

Задумчивый взгляд сэра Гамильтона медленно скользил, наблюдая за игрой светотени. В голове ирландского математика шла настоящая плавильня мыслей, идей и выводов. Он прекрасно понимал, что объяснение многих явлений с помощью Ньютоновской механики подобно игре теней на стене, обманчиво сплетающих фигуры и оставляющих без ответа многие вопросы. «Возможно, это волна… а может быть, поток частиц, - размышлял учёный, - или свет является проявлением обоих явлений. Подобно фигурам, сотканным из тени и света».

Начало квантовой физики

Интересно наблюдать за великими людьми и пытаться осознать, как рождаются великие идеи, изменяющие ход эволюции всего человечества. Гамильтон - один из тех, кто стоял у истоков зарождения квантовой физики. Спустя пятьдесят лет, в начале двадцатого века, изучением элементарных частиц занимались многие учёные. Полученные знания были противоречивы и нескомпилированы. Однако первые шаткие шаги были сделаны.

Понимание микромира в начале ХХ века

В 1901 году была представлена первая модель атома и показана её несостоятельность, с позиции обычной электродинамики. В этот же период Макс Планк и Нильс Бор публикуют множество трудов о природе атома. Несмотря на их полного понимания структуры атома не существовало.

Спустя несколько лет, в 1905 году, малоизвестный немецкий учёный Альберт Эйнштейн опубликовал доклад о возможности существования светового кванта в двух состояниях - волнового и корпускулярного (частицы). В его труде приводились доводы, поясняющие причину несостоятельности модели. Однако видение Эйнштейна было ограничено старым пониманием модели атома.

После многочисленных трудов Нильса Бора и его коллег в 1925 году зародилось новое направление - некое подобие квантовой механики. Распространённое выражение - «квантовая механика» появилось спустя тридцать лет.

Что мы знаем о квантах и их причудах?

На сегодня квантовая физика ушла достаточно далеко. Открыто много различных явлений. Но что мы знаем на самом деле? Ответ представлен одним учёным современности. "В квантовую физику можно либо верить, либо ее не понимать", - таково определение Подумайте над этим сами. Достаточно будет упомянуть такое явление, как квантовая запутанность частиц. Это явление ввергло научный мир в положение полного недоумения. Ещё большим шоком стало то, что возникший парадокс несовместим с и Эйнштейна.

Впервые эффект квантовой запутанности фотонов обсуждался в 1927 году на пятом Солвеевском Конгрессе. Между Нильсом Бором и Эйнштейном возник жаркий спор. Парадокс квантовой спутанности полностью изменил понимание сути материального мира.

Известно, что все тела состоят из элементарных частиц. Соответственно, все явления квантовой механики отражаются в обычном мире. Нильс Бор говорил, что если мы не смотрим на Луну, то её не существует. Эйнштейн считал это неразумным и полагал, что объект существует независимо от наблюдателя.

При изучении проблем квантовой механики следует понимать, что её механизмы и законы взаимосвязаны между собой и не подчиняются классической физике. Попробуем разобраться в самой противоречивой области - квантовой запутанности частиц.

Теория квантовой запутанности

Для начала стоит понимать, что квантовая физика подобна бездонному колодцу, в котором можно обнаружить все, что угодно. Явление квантовой запутанности в начале прошлого века изучалось Эйнштейном, Бором, Максвеллом, Бойлем, Беллом, Планком и многими другими физиками. На протяжении двадцатого века по всему миру активно изучали это и экспериментировали тысячи учёных.

Мир подчинён строгим законам физики

Почему такой интерес к парадоксам квантовой механики? Все очень просто: мы живём, подчиняясь определённым законам физического мира. Умение «обходить» предопределённость открывает магическую дверь, за которой все становится возможным. К примеру, концепция «Кота Шрёдингера» ведёт к управлению материей. Также станет возможна телепортация информации, которую вызывает квантовая запутанность. Передача информации станет мгновенной, независимо от расстояния.
Этот вопрос пока находится в стадии изучения, однако имеет положительную тенденцию.

Аналогия и понимание

Чем же уникальна квантовая запутанность, как её понять и что происходит при этом? Попробуем разобраться. Для этого потребуется провести некий мысленный эксперимент. Представьте, что у вас в руках две коробки. В каждой из них лежит по одному мячу с полосой. Теперь одну коробку отдаём космонавту, и он улетает на Марс. Как только вы открываете коробку и видите, что полоса на мяче горизонтальна, то в другой коробке мяч автоматически будет иметь вертикальную полосу. Это и будет квантовая запутанность простыми словами выраженная: один объект предопределяет положение другого.

Однако следует понимать, что это лишь поверхностное объяснение. Для того чтобы получить квантовую запутанность, необходимо, чтобы частицы имели одинаковое происхождение, подобно близнецам.

Очень важно понимать, что эксперимент будет сорван, если до вас кто-то имел возможность посмотреть хотя бы на один из объектов.

Где может быть использована квантовая спутанность?

Принцип квантовой запутанности может быть использован для передачи информации на большие расстояния мгновенно. Подобный вывод противоречит теории относительности Эйнштейна. Она гласит, что максимальная скорость перемещения присуща только свету - триста тысяч километров в секунду. Подобная передача информации даёт возможность существования физической телепортации.

Все в мире - информация, в том числе и материя. К такому выводу пришли квантовые физики. В 2008 году на основании теоретической базы данных удалось увидеть квантовую спутанность невооружённым глазом.

Это в очередной раз говорит о том, что мы стоим на пороге великих открытий - перемещения в пространстве и во времени. Время во Вселенной дискретно, поэтому мгновенное перемещение на огромные расстояния даёт возможность попадать в различную плотность времени (на основании гипотез Эйнштейна, Бора). Возможно, в будущем это будет реальностью так же, как мобильный телефон сегодня.

Эфиродинамика и квантовая запутанность

По мнению некоторых ведущих учёных, квантовая спутанность поясняется тем, что пространство заполнено неким эфиром - чёрной материей. Любая элементарная частица, как нам известно, пребывает в виде волны и корпускулы (частицы). Некоторые учёные считают, что все частицы находятся на «полотне» тёмной энергии. Понять это непросто. Давайте попробуем разобраться другим путём - методом ассоциации.

Представьте себя на берегу моря. Лёгкий бриз и слабое дуновение ветра. Видите волны? А где-то вдалеке, в отблесках лучей солнца, виден парусник.
Корабль будет нашей элементарной частицей, а море - эфиром (тёмной энергией).
Море может находиться в движении в виде видимых волн и капель воды. Точно так же и все элементарные частицы могут быть просто морем (её составляющей неотъемлемой частью) или же отдельной частицей - каплей.

Это упрощённый пример, все несколько сложнее. Частицы без присутствия наблюдателя находятся в виде волны и не имеют определённого местоположения.

Белый парусник - это выделенный объект, он отличается от глади и структуры воды моря. Точно так же существуют «пики» в океане энергии, которые мы можем воспринимать как проявление известных нам сил, сформировавших материальную часть мира.

Микромир живёт по своим законам

Принцип квантовой запутанности можно понять, если брать в учёт то, что элементарные частицы находятся в виде волн. Не имея определённого местоположения и характеристик, обе частицы пребывают в океане энергии. В момент появления наблюдателя волна «превращается» в доступный осязанию объект. Вторая частица, соблюдая систему равновесия, приобретает противоположные свойства.

Описанная статья не направлена на ёмкие научные описания квантового мира. Возможность осмысления обычного человека базируется на доступности понимания изложенного материала.

Физика элементарных частиц изучает запутанность квантовых состояний на основании спина (вращения) элементарной частицы.

Научным языком (упрощённо) - квантовая спутанность определяется по разному спину. В процессе наблюдения за объектами учёные увидели, что может существовать только два спина - вдоль и поперёк. Как ни странно, в других положениях частицы наблюдателю не «позируют».

Новая гипотеза - новый взгляд на мир

Изучение микрокосмоса - пространства элементарных частиц - породило множество гипотез и предположений. Эффект квантовой запутанности натолкнул учёных на мысль о существовании некой квантовой микрорешётки. По их мнению, в каждом узле - точке пересечения - находится квант. Вся энергия - целостная решётка, а проявление и движение частиц возможно только через узлы решётки.

Размер «окна» такой решётки достаточно мал, и измерение современным оборудованием невозможно. Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть данную гипотезу, учёные решили изучить движение фотонов в пространственной квантовой решётке. Суть в том, что фотон может двигаться либо прямо, либо зигзагами - по диагонали решётки. Во втором случае, преодолев большую дистанцию, он потратит больше энергии. Соответственно, будет отличаться от фотона, движущегося по прямой линии.

Возможно, со временем мы узнаем, что живём в пространственной квантовой решётке. Или же может оказаться неверным. Однако именно принцип квантовой запутанности указывает на возможность существования решётки.

Если говорить простым языком, то в гипотетическом пространственном «кубе» определение одной грани несёт за собой чёткое противоположное значение другой. Таков принцип сохранения структуры пространство - время.

Эпилог

Чтобы понимать волшебный и загадочный мир квантовой физики, стоит внимательно всмотреться в ход развития науки за последние пятьсот лет. Раньше считалось, что Земля имеет плоскую форму, а не сферическую. Причина очевидна: если принять её форму круглой, то вода и люди не смогут удержаться.

Как мы видим, проблема существовала в отсутствии полного видения всех действующих сил. Возможно, что современной науке для понимания квантовой физики не хватает видения всех действующих сил. Пробелы видения порождают систему противоречий и парадоксов. Возможно, магический мир квантовой механики хранит в себе ответы на поставленные вопросы.

Думаю, можно сказать, что никто не понимает квантовую механику

Физик Ричард Фейнман

Высказывание о том, что изобретение полупроводниковых приборов было революцией, не будет преувеличением. Это не только впечатляющее технологическое достижение, но оно также проложило путь для событий, которые навсегда изменяют современное общество. Полупроводниковые приборы применяются во всевозможных устройствах микроэлектроники, в том числе и в компьютерах, отдельных видах медицинского диагностического и лечебного оборудования, популярных телекоммуникационных устройствах.

Но за этой технологической революцией стоит даже больше, революция в общей науке: область квантовой теории . Без этого прыжка в понимании естественного мира, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых разрабатываемых электронных устройств) никогда бы не удалось. Квантовая физика - это невероятно сложный раздел науки. В данной главе дается лишь краткий обзор. Когда ученые уровня Фейнмана говорят, что «никто не понимает [это]», вы можете быть уверены, что это действительно сложная тема. Без базового понимания квантовой физики или, по крайней мере, понимания научных открытий, которые привели к их разработке, невозможно понять, как и почему работают полупроводниковые электронные приборы. Большинство учебников по электронике пытаются объяснить полупроводники с точки зрения «классической физики», в результате делая их еще более запутанными для понимания.

Многие из нас видели диаграммы моделей атомов, которые похожи на рисунок ниже.

Атом Резерфорда: отрицательные электроны вращаются вокруг небольшого положительного ядра

Крошечные частицы материи, называемые протонами и нейтронами , составляют центр атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря наличию протонов (нейтроны не имеют никакого электрического заряда), в то время как уравновешивающий отрицательный заряд атома находится в движущихся по орбите электронах. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам, как планеты притягиваются силой притяжения к Солнцу, однако орбиты стабильны, благодаря движению электронов. Мы обязаны этой популярной моделью атома работе Эрнеста Резерфорда, который примерно в 1911 году экспериментально определил, что положительные заряды атомов сосредоточены в крошечном, плотном ядре, а не равномерно распределены по диаметру, как ранее предполагал исследователь Дж. Дж. Томсон.

Эксперимент Резерфорда по рассеянию заключается в бомбардировке тонкой золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами, как показано на рисунке ниже. Молодые аспиранты Х. Гейгер и Э. Марсден получили неожиданные результаты. Траектория движения некоторых альфа-частиц была отклонена на большой угол. Некоторые альфа-частицы были рассеяны в обратном направлении, под углом почти на 180°. Большинство частиц прошло через золотую фольгу, не изменив траекторию пути, будто фольги и не было совсем. Факт того, что несколько альфа-частиц испытывали большие отклонения в траектории движения, указывает на присутствие ядер с небольшим положительным зарядом.

Рассеяние Резерфорда: пучок альфа-частиц рассеивается тонкой золотой фольгой

Хотя модель атома Резерфорда подтверждалась экспериментальными данными лучше, чем модель Томсона, она всё еще была неидеальна. Были предприняты дальнейшие попытки определения структуры атома, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, изображение солнечной системы Резерфорда в качестве структуры атом, прижилось в массовом сознании до такоей степени, что оно сохраняется в областях образования, даже если оно неуместно.

Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятое из популярного учебника по электронике:

Вращающиеся отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру, которое приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летят в ядро атом. Ответ в том, что вращающиеся электроны остаются на своей стабильной орбите из-за двух равных, но противоположных сил. Центробежная сила, действующая на электроны, направлена наружу, а сила притяжения зарядов пытается притянуть электроны к ядру.

В соответствии с моделью Резерфорда, автор считает электроны твердыми кусками материи, занимающими круглые орбиты, их притяжение внутрь к противоположно заряженному ядру уравновешивается их движением. Использование термина «центробежная сила» технически неверно (даже для вращающихся на орбитах планет), но это легко простить из-за популярного принятия модели: на самом деле, не существует такого понятия, как сила, отталкивающая любое вращающееся тело от центра его орбиты. Кажется, что это так потому, что инерция тела стремиться сохранить его движение по прямой линии, а так как орбита является постоянным отклонением (ускорением) от прямолинейного движения, есть постоянное инерционное противодействие к любой силе, притягивающей тело к центру орбиты (центростремительной), будь то гравитация, электростатическое притяжения, или даже натяжение механической связи.

Тем не менее, реальная проблема с этим объяснением, в первую очередь, заключается в идее электронов, движущихся по круговым орбитам. Проверенный факт, что ускоренные электрические заряды испускают электромагнитное излучение, этот факт был известен даже во времена Резерфорда. Так как вращательное движение является формой ускорения (вращающийся объект в постоянном ускорении, уводящем объект от нормального прямолинейного движения), электроны во вращающемся состоянии должны выбрасывать излучение, как грязь от буксующего колеса. Электроны, ускоренные по круговым траекториям, в ускорителях частиц, называемых синхротронами , как известно, делают это, и результат называется синхротронное излучение . Если бы электроны теряли энергию таким способом, их орбиты, в конечном счете, нарушились бы, и в результате они столкнулись бы с положительно заряженным ядром. Тем не менее, внутри атомов этого обычно не происходит. Действительно, электронные «орбиты» удивительно устойчивы в широком диапазоне условий.

Кроме того, эксперименты с «возбужденными» атомами показали, что электромагнитная энергия излучается атомом только на определенных частотах. Атомы «возбуждаются» внешними воздействиями, такими как свет, как известно, чтобы поглотить энергию и вернуть электромагнитные волны на определенных частотах, как камертон, который не звонит на определенной частоте, пока его не ударят. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом, делится призмой на составные частоты (цвета), обнаруживаются отдельные линии цветов в спектре, картина спектральных линий является уникальной для химического элемента. Это явление обычно используется для идентификации химических элементов, и даже для измерения пропорций каждого элемента в соединении или химической смеси. Согласно солнечной системе атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как кусков материи, свободно вращающихся на орбите с каким-то радиусом) и законам классической физики, возбужденные атомы должны вернуть энергию в практически бесконечном диапазоне частот, а не на избранных частотах. Другими словами, если модель Резерфорда была правильной, то не было бы эффекта «камертона», и цветовой спектр, излучаемый любым атомом, выглядел бы как непрерывная полоса цветов, а не как несколько отдельных линий.

Боровская модель атома водорода (с орбитами, нарисованными в масштабе) предполагает нахождение электронов только на дискретных орбитах. Электроны, переходящие с n=3,4,5 или 6 на n=2, отображаются на серии спектральных линий Бальмера

Исследователь по имени Нильс Бор попытался улучшить модель Резерфорда, после ее изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 году. Пытаясь согласовать результаты других физиков (в частности, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон обладал определенным, конкретным количеством энергии, и что их орбиты распределяются таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как шарики, зафиксированные на круговых дорожках вокруг ядра, а не как свободно двигающиеся спутники, как предполагалось ранее (рисунок выше). В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов Бор ссылался на «орбиты», как на стационарные состояния , чтобы избежать трактования, что они были подвижны.

Хотя амбициозная попытка Бора переосмысления строения атома, которое ближе согласовывалось с экспериментальными данными, и была важной вехой в физике, но не была завершена. Его математический анализ лучше предсказывал результаты экспериментов по сравнению с анализами, производимых согласно предыдущим моделям, но еще оставались без ответов вопросы о том, почему электроны должны вести себя таким странным образом. Утверждение, что электроны существовали в стационарных квантовых состояниях вокруг ядра, соотносилось с экспериментальными данными лучше, чем модель Резерфорда, но не говорило, что заставляет электроны принимать эти особые состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти от другого физика Луи де Бройля спустя примерно десять лет.

Де Бройль предположил, что электроны, как фотоны (частицы света), обладают и свойствами частиц, и свойствами волн. Опираясь на это предположение, он предположил, что анализ вращающихся электронов с точки зрения волн подходит лучше, чем с точки зрения частиц, и может дать больше понимания об их квантовой природе. И действительно, в понимании был совершен еще один прорыв.

Струна, вибрирующая на резонансной частоте между двумя фиксированными точками, образует стоячую волну

Атом, согласно де Бройлю, состоял из стоячих волн, явление, хорошо известное физикам в различных формах. Как дернутая струна музыкального инструмента (рисунок выше), вибрирующая на резонансной частоте, с «узлами» и «антиузлами» в стабильных местах вдоль своей длины. Де Бройль представил электроны вокруг атомов в виде волн, изогнутых в круг (рисунок ниже).

«Вращающийся» электроны, как стоячая волна вокруг ядра, (a) два цикла в орбите, (b) три цикла в орбите

Электроны могут существовать только на определенных, конкретных «орбитах» вокруг ядра, потому что они являются единственными расстояниями, на которых концы волны совпадают. При любом другом радиусе волна будет разрушительно сталкиваться сама с собой и, таким образом, перестанет существовать.

Гипотеза де Бройля дала как математическое обеспечение, так и удобную физическую аналогию для объяснения квантовых состояний электронов внутри атома, но его модель атома была всё еще неполной. В течение нескольких лет физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, трудились над концепцией корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, чтобы создать более строгие математические модели субатомных частиц.

Этому теоретическому продвижению от примитивной модели стоячей волны де Бройля к моделям матрицы Гейзенберга и дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовая механика, она ввела довольно шокирующую характеристику в мир субатомных частиц: признак вероятности, или неопределенности. По новой квантовой теории, было невозможно определить точное положение и точный импульс частицы в один момент. Популярное объяснение этого «принципа неопределенности» заключалось в том, что существовала погрешность измерения (то есть, пытаясь точно измерить положение электрона, вы мешаете его импульсу, и, следовательно, не можете знать, что было до начала измерения положения, и наоборот). Сенсационный вывод квантовой механики заключается в том, что частицы не имеют точных положений и импульсов, и из-за связи этих двух величин их совокупная неопределенность никогда не уменьшится ниже определенного минимального значения.

Эта форма связи «неопределенности» существует и в других областях, кроме квантовой механики. Как обсуждалось в главе «Сигналы переменного тока смешанной частоты» тома 2 этой серии книг, есть взаимоисключающие связи между уверенностью в данных временной области формы сигнала и его данными в частотной области. Проще говоря, чем больше мы знаем его составляющие частоты, тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:

Сигнал бесконечной длительности (бесконечное количество циклов) может быть проанализирован с абсолютной точностью, но чем меньше циклов доступно компьютеру для анализа, тем меньше точность анализа... Чем меньше периодов сигнала, тем меньше точность его частоты. Принимая эту концепцию до ее логической крайности, короткий импульс (даже не полный период сигнала) на самом деле не имеет определенной частоты, представляет собой бесконечный диапазон частот. Данный принцип является общим для всех волновых явлений, а не только для переменных напряжений и токов.

Чтобы точно определить амплитуду изменяющегося сигнала, мы должны измерить его в очень короткий промежуток времени. Однако выполнение этого ограничивает наши знания о частоте волны (волна в квантовой механике не должна быть подобно синусоидальной волне; такое подобие является частным случаем). С другой стороны, чтобы определить частоту волны с большой точностью, мы должны измерять его в течение большого количества периодов, а значит, мы потеряем из виду его амплитуду в любой заданный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенную амплитуду и все частоты любой волны с неограниченной точностью. Еще одна странность, эта неопределенность гораздо больше неточности наблюдателя; она находится в самой природе волны. Это не так, хотя можно бы, учитывая соответствующие технологии, обеспечить точные измерения и мгновенной амплитуды, и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может точную мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.

Минимальная неопределенность положения частицы и импульса, выраженная Гейзенбергом и Шредингером, не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство природы корпускулярно-волнового дуализма частицы. Следовательно, электроны на самом деле не существуют в своих «орбитах» как точно определенные частицы материи или даже как точно определенные формы волн, а скорее как «облака» - технический термин волновой функции распределения вероятности, как если бы каждый электрон был «рассеян» или «размазан» в диапазоне положений и импульсов.

Этот радикальный взгляд на электроны, как на неопределенные облака поначалу противоречит изначальному принципу квантовых состояний электронов: электроны существуют в дискретных, определенных «орбитах» вокруг ядра атома. Этот новый взгляд, в конце концов, был открытием, которое привело к образованию и объяснению квантовой теории. Как странно кажется, что теория, созданная для объяснения дискретного поведения электронов, заканчивается, объявив, что электроны существуют как «облака», а не как отдельные кусочки материи. Тем не менее, квантовое поведение электронов зависит не от электронов, имеющих определенные значения координат и импульса, а от других свойств, называемых квантовыми числами . В сущности, квантовая механика обходится без распространенных понятий абсолютного положения и абсолютного момента, а заменяет их абсолютными понятиями таких типов, у которых нет аналогов в общей практике.

Даже если электроны, как известно, существуют в бесплотных, «облачных» формах распределенной вероятности, а не в виде отдельных частей материи, эти «облака» имеют несколько другие характеристики. Любой электрон в атоме может быть описан четырьмя числовыми мерами (упомянутыми ранее квантовыми числами), которые называются главное (радиальное) , орбитальное (азимутальное) , магнитное и спиновое числа. Ниже представлен краткий обзор значения каждого из этих чисел:

Главное (радиальное) квантовое число : обозначается буквой n , это число описывает оболочку, на которой пребывает электрон. Электронная «оболочка» представляет собой область пространства вокруг ядра атома, на которой электроны могут существовать, соответствуя моделям стабильной «стоячей волны» де Бройля и Бора. Электроны могут «прыгать» с оболочки на оболочку, но не могут существовать между ними.

Главное квантовое число должно быть положительным целым числом (большим или равным 1). Другими словами, главное квантовое число электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые числа были выбраны не произвольно, а через экспериментальные доказательства светового спектра: разные частоты (цвета) света, излучаемые возбужденными атомами водорода, следуют математической зависимости, зависящей от конкретных целых значений, как показано на рисунке ниже.

Каждая оболочка обладает способностью удерживать несколько электронов. В качестве аналогии для электронных оболочек можно привести концентрические ряды сидений в амфитеатре. Так же, как человек, сидящий в амфитеатре, должен выбрать ряд, чтобы сесть (он не может сесть между рядов), электроны должны «выбрать» конкретную оболочку, чтобы «сесть». Как и ряды в амфитеатре, крайние оболочки удерживают больше электронов по сравнению с оболочками ближе к центру. Также электроны стремятся найти наименьшую доступную оболочку, как люди в амфитеатре ищут место, ближайшее к центральной сцене. Чем выше номер оболочки, тем больше энергии у электронов на ней.

Максимальное количество электронов, которое какая-либо оболочка может удерживать, описывается уравнение 2n 2 , где n - главное квантовое число. Таким образом, первая оболочка (n = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (n = 2) - 8 электронов; и третья оболочка (n = 3) - 18 электронов (рисунок ниже).

Главное квантовое число n и максимальное количество электронов связаны формулой 2(n 2). Орбиты не в масштабе.

Электронные оболочки в атоме были обозначаются буквами, а не цифрами. Первая оболочка (n = 1) была обозначена K, вторая оболочка (n = 2) L, третья оболочка (n = 3) M, четвертая оболочка (n = 4) N, пятая оболочка (n = 5) O, шестая оболочка (n = 6) P, и седьмая оболочка (n = 7) B.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число : оболочка, состоящая из подоболочек. Кому-то может быть удобнее думать о подоболочках как о простых секциях оболочек, как полосы делящие дорогу. Подоболочки гораздо более странны. Подоболочки - это области пространства, где могут существовать электронные «облака», и на самом деле различные подоболочки имеют различные формы. Первая подоболочка в форме шара (рисунок ниже (s)), который имеет смысл, когда визуализируется в виде электронного облака, окружающего ядро атома в трех измерениях.

Вторая подоболочка напоминает гантель, состоящую из двух «лепестков», соединенных в одной точке недалеко от центра атома (рисунок ниже (p)).

Третья подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти формы подоболочек напоминают графические изображения диаграмм направленности антенн с лепестками, похожими на луковицы, простирающимися от антенны в различных направлениях (рисунок ниже (d)).

Орбитали:
(s) трехкратная симметричность;
(p) Показана: p x , одна из трех возможных ориентаций (p x , p y , p z), вдоль соответствующих осей;
(d) Показана: d x 2 -y 2 похожа на d xy , d yz , d xz . Показана: d z 2 . Количество возможных d-орбиталей: пять.

Допустимыми значениями орбитального квантового числа являются положительные целые числа, как и для главного квантового числа, но также включают в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов обозначаются буквой l. Количество подоболочек равно главному квантовому числу оболочки. Таким образом, первая оболочка (n = 1) имеет одну подоболочку с номером 0; вторая оболочка (n = 2) имеет две подоболочки с номерами 0 и 1; третья оболочка (n = 3) имеет три подоболочки с номерами 0, 1 и 2.

Старое соглашение описания подоболочек использовало буквы, а не цифры. А этом формате, первая подоболочка (l = 0) обозначалась s, вторая подоболочка (l = 1) обозначалась p, третья подоболочка (l = 2) обозначалась d, и четвертая подоболочка (l = 3) обозначалась f. Буквы пришли от слов: sharp , principal , diffuse и fundamental . Вы по-прежнему можете увидеть эти обозначения во многих периодических таблицах, используемые для обозначения электронной конфигурации внешних (валентных ) оболочек атомов.

(a) представление атома серебра по Бору,
(b) орбитальное представление Ag с разделением оболочек на подоболочки (орбитальное квантовое число l).
Данная диаграмма не подразумевает ничего о фактическом положении электронов, а представляет только энергетические уровни.

Магнитное квантовое число : Магнитное квантовое число для электрона классифицирует, ориентацию фигуры подоболочки электрона. «Лепестки» подоболочек могут быть направлены в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называются орбиталями. Для первой подоболочки (s; l = 0), которая напоминает сферу, «направление» не указывается. Для второй (p; l = 1) подоболочки в каждой оболочке, которая напоминает гантель, указывающую в трех возможных направлениях. Представьте три гантели, пересекающиеся в начале координат, каждая направлена вдоль своей оси в трехосной системе координат.

Допустимые значения для данного квантового числа состоят из целых чисел, начиная от -l до l, а обозначается данное число как m l в атомной физике и l z в ядерной физике. Чтобы рассчитать количество орбиталей в любой подоболочке, необходимо удвоить номер подоболочки и добавить 1, (2∙l + 1). Например, первая подоболочка (l = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь с номером 0; вторая подоболочка (l = 1) в любой оболочке содержит три орбитали с номерами -1, 0 и 1; третья подоболочка (l = 2) содержит пять орбиталей с номерами -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.

Как и главное квантовое число, магнитное квантовое число возникло прямо из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированный газ воздействию магнитного поля, отсюда и название «магнитное» квантовое число.

Спиновое квантовое число : как и магнитное квантовое число, данное свойство электронов атома было обнаружено с помощью экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показало, что каждая линия была на самом деле парой очень близко расположенных линий, было предположение, что эта так называемая тонкая структура была результатом каждого электрона, «вращающегося» вокруг своей оси, как планета. Электроны с разным «вращением» отдавали бы немного отличающиеся частоты света при возбуждении. Концепция вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи более подходящей для (неправильного) взгляда на электроны, как на отдельные частицы материи, а не как на «облака», но название осталось.

Спиновые квантовые числа обозначаются как m s в атомной физике и s z в ядерной физике. На каждой орбитали на каждой подоболочке в каждой оболочке может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.

Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядоченность электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принципом запрета Паули , утверждает, что два электрона в одном атоме не могут занимать одинаковые квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме имеет уникальный набор квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать какую-либо орбиталь, подоболочку и оболочку.

Здесь показано расположение электронов в атоме водорода:

С одним протоном в ядре, атом принимает один электрон для своего электростатического баланса (положительный заряд протона в точности уравновешивается отрицательным зарядом электрона). Этот электрон находится на нижней оболочке (n = 1), первой подоболочке (l = 0), на единственной орбитали (пространственная ориентация) этой подоболочки (m l = 0), с значением спина 1/2. Общий метод описания этой структуры выполняется с помощью перечисления электронов в соответствии с их оболочками и подоболочками согласно соглашению, называемому спектроскопическим обозначением . В этом обозначении, номер оболочки показывается как целое число, подоболочка как буква (s,p,d,f), и общее количество электронов в подоболочке (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород с его единственным электроном, размещенным на базовом уровне, описывается как 1s 1 .

Переходя к следующему атому (по порядку атомного номера), мы получаем элемент гелий:

Атом гелия состоит из двух протонов в ядре, а это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона - один со спином 1/2 и другой со спином -1/2 - находятся на одной орбитали, электронная структура гелия не требует дополнительных подоболочек или оболочек, чтобы удерживать второй электрон.

Тем не менее, атом, требующий три и более электрона, будет нуждаться в дополнительных подоболочках, чтобы удерживать все электроны, так как только два электрона могут находиться на нижней оболочке (n = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности увеличивающихся атомных номеров, литий:

Атом лития использует часть емкости L оболочки (n = 2). Эта оболочка на самом деле имеет общую емкость величиной восемь электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если мы рассмотрим структуру атома с полностью заполненной L оболочкой, мы увидим, как все комбинации подоболочек, орбиталей и спинов заняты электронами:

Часто, при назначении атому спектроскопического обозначения, любые полностью заполненные оболочки пропускаются, а не заполненные оболочки и заполненные оболочки высшего уровня обозначаются. Например, элемент неон (показан на рисунке выше), который имеет две полностью заполненных оболочки, может быть спектрально описан просто как 2p 6 , а не как 1s 22 s 22 p 6 . Литий с его полностью заполненной K-оболочкой и единственным электроном на L-оболочке, может быть описан просто как 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .

Пропуск полностью заполненных оболочек нижнего уровня выполняется не только для удобства записи. Он также иллюстрирует основной принцип химии: химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. И водород, и литий обладают на своих внешних оболочках одним электроном (as 1 и 2s 1 соответственно), то есть, оба элемента обладают схожими свойствами. Оба обладают высокой реакционной способностью, и вступают в реакции почти одинаковыми способами (связывание с аналогичными элементами в аналогичных условиях). Не имеет большого значения, что литий имеет полностью заполненную K-оболочку под почти свободной L-оболочкой: незаполненная L-оболочка - это та оболочка, которая и определяет его химическое поведение.

Элементы, имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородные и отличаются почти полным отсутствием реакции с другими элементами. Эти элементы классифицировались как инертные, когда считалось, что они совсем не вступают в реакции, но, как известно, они образуют соединения с другими элементами при определенных условиях.

Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в своих внешних оболочках имеют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев соответственных образом организовал химические элементы в таблице. Данная таблица известна как , и современные таблицы следуют этому общему виду, показанному на рисунке ниже.

Периодическая таблица химических элементов

Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым, кто разработал периодическую таблицу элементов. Несмотря на то, что Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и создал таблицу, которая была, не столь полезна, как современные периодические таблицы, его разработка выступает в качестве отличного примера научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в соответствии с атомной массой), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписываться в эту упорядоченную схему. Когда он обнаружил «пустые» места в таблице, он следовал логике существующего порядка и предположил существование еще неизвестных элементов. Последующее открытие этех элементов подтвердило научную правильность гипотезы Менделеева, дальнейшие открытия привели к тому виду периодической таблицы, которую мы используем сейчас.

Вот так должна работать наука: гипотезы ведут к логическими заключениями и принимаются, изменяются или отклоняются в зависимости от согласованности экспериментальных данных с их выводами. Любой дурак может сформулировать гипотезу постфактум, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, и многие так и делают. Что отличается научную гипотезу от спекуляции постфактум, так это предсказание будущих экспериментальных данных, которые пока не собраны, и, возможно, опровержение в результате этих данных. Смело ведите гипотезу к ее логическому заключению(-ям) и попытка предсказать результаты будущих экспериментов это не догматический прыжок веры, а скорее публичная проверка этой гипотезы, открытый вызов противникам гипотезы. Другими словами, научные гипотезы всегда «рискованны» из-за попытки предсказать результаты еще не проведенных экспериментов, и поэтому могут быть опровергнуты, если эксперименты пройдут не так, как ожидалось. Таким образом, если гипотеза правильно предсказывает результаты повторных экспериментов, ее ложность опровергнута.

Квантовая механика, сначала как гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании результатов экспериментов, следовательно, получила высокую степень научного доверия. У многих ученых есть основания полагать, что это неполная теория, так как ее прогнозы больше правдивы на микрофизических масштабах, а не в макроскопических размерах, но, тем не менее, это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействия частиц и атомов.

Как вы уже увидели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение при описании и прогнозировании множества различных явлений. В следующем разделе мы увидим, ее значение в электрической проводимости твердых веществ, в том числе и полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или в физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической структуре электронов, существующих как отдельные частицы материи, кружащиеся вокруг ядра атом, как миниатюрные спутники. Когда электроны рассматриваются как «волновые функции», существующие в определенных, дискретных состояниях, которые регулярны и периодичны, тогда поведение вещества может быть объяснено.

Подведем итоги

Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.

Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число , известное как оболочка ; орбитальное (азимутальное) квантовое число , известное как подоболочка ; магнитное квантовое число , описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число , или просто спин . Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.

Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)

Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа - целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n - 1).

Магнитное квантовое число (m l) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, m l = -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа - целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.

Спиновое квантовое число (m s) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.

Спектроскопическое обозначение - это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.

Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.

Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).

Этот текст представляет новые результаты в области неврологии и решение многих нерешенных проблем в физике. Он не касается вопросов метафизики и основан на научно проверяемых данных, но затрагивает философские темы, связанные с жизнью, смертью и происхождением вселенной.
Учитывая многослойность и насыщенность информации, может потребоваться прочесть его несколько раз, чтобы понять, несмотря на наши усилия, упростить сложные научные понятия.



Глава 1
Бог - в нейронах







Человеческий мозг - это сеть примерно ста миллиардов нейронов. Различные ощущения формируют нервные связи, воспроизводящие различные эмоции. В зависимости от стимуляции нейронов, одни связи становятся прочнее и эффективнее, а другие слабеют. Это называется нейропластичность .

Тот, кто обучается музыке, создает более сильные нервные связи между двумя полушариями головного мозга, чтобы развивать музыкальное творчество. Через обучение можно развить практически любой талант или навык.

Рудигер Гамм считал себя безнадежным студентом и не справлялся даже с элементарной математикой. Он стал развивать свои способности и превратился в человеческий калькулятор, способный на чрезвычайно сложные вычисления. Рациональность и эмоциональная устойчивость работают точно так же. Нервные связи можно укрепить.

Когда вы чем-либо занимаетесь, вы физически меняете свой мозг, чтобы достигать лучших результатов. Так как это – главный и основной механизм мозга, самосознание может значительно обогатить наш жизненный опыт.



Социальная неврология



Особые нейроны и нейромедиаторы, такие как норэпинефрин, вызывают защитный механизм, когда мы чувствуем, что наши мысли необходимо защитить от влияния извне. Если чье-то мнение отличается от нашего, в мозг поступают те же химические вещества, что обеспечивают наше выживание в опасных ситуациях.








В этом защитном состоянии более примитивная часть мозга вмешивается в рациональное мышление, и лимбическая система может блокировать нашу рабочую память, физически вызывая «ограниченность мышления».

Это можно видеть при запугивании, или при игре в покер, или когда кто-то проявляет упрямство в споре.

Какой бы ценной ни была идея, в таком состоянии мозг не способен ее обработать. На нейронном уровне он воспринимает ее как угрозу, даже если это безобидные мнения или факты, с которыми в ином случае мы могли бы согласиться.

Но когда мы выражаем себя, и наши взгляды ценятся, уровень защитных веществ в мозгу снижается, и передача дофамина активирует нейроны поощрения, и мы ощущаем свою силу и уверенность. Наши убеждения существенно влияют на химию нашего тела. Именно на этом основан эффект плацебо. Самооценка и уверенность в себе связаны с нейромедиатором серотонином.

Сильная нехватка его часто приводит к депрессии, саморазрушительному поведению и даже самоубийству. Когда общество нас ценит, это повышает уровень дофамина и серотонина в мозге и позволяет нам освободиться от эмоциональной фиксации и повысить уровень самосознания.



Зеркальные нейроны и сознание



Социальная психология часто обращается к базовой потребности человека «найти свое место» и называет это «нормативное социальное влияние.» По мере взросления наш моральный и этический компас почти полностью формируется внешней средой. Таким образом, наши действия часто исходят из того, как нас оценивает общество.








Но новые данные в области неврологии дают нам более четкое понимание культуры и индивидуальности. Новые неврологические исследования подтвердили существование эмпатических зеркальных нейронов.

Когда мы испытываем эмоции или выполняем действия, срабатывают определенные нейроны. Но когда мы видим, как это делает кто-то другой или представляем себе это, срабатывают многие из тех же нейронов, словно мы делаем это сами. Эти эмпатические нейроны связывают нас с другими людьми и позволяют чувствовать то, что чувствуют другие.

Так как эти же нейроны реагируют на наше воображение, мы получаем от них эмоциональную отдачу так же, как от другого человека. Эта система дает нам возможность самоанализа.

Зеркальные нейроны не делают различий между собой и другими. Поэтому мы так зависим от оценки окружающих и желания соответствовать.

Мы все время подвержены двойственности между тем, как мы видим себя, и как нас воспринимают другие. Это может мешать нашей индивидуальности и самооценке.






Снимки мозга показывают, что испытываем эти отрицательные эмоции еще до того, как их осознаем. Но когда мы обладаем самосознанием, мы можем изменить неправильные эмоции, потому что можем контролировать свои мысли, их вызывающие.

Это нейрохимическое следствие того, как воспоминания ослабевают, и как они восстанавливаются через синтез белка.

Самоанализ сильно влияет на то, как работает мозг.Он активизирует неокортикальные области саморегуляции, которые позволяют нам четко контролировать собственные чувства. Всякий раз, когда мы это делаем, наша рациональность и эмоциональная стабильность усиливаются. Без самоконтроля большинство наших мыслей и действий импульсивны, и то, что мы реагируем случайно и не делаем сознательный выбор,

инстинктивно раздражает нас.






Чтобы устранить это, мозг стремится оправдать наше поведение и физически переписывает воспоминания через реконсолидацию памяти, заставляя нас верить, что мы контролировали свои действия. Это называется ретроспективная рационализация, которая оставляет большинство наших отрицательных эмоций нерешенными, и они могут вспыхнуть в любое время. Они питают внутренний дискомфорт, в то время как мозг продолжает оправдывать наше иррациональное поведение. Всё это сложное и почти шизофреническое поведение подсознания - работа обширных параллельно распределенных систем в нашем мозге.



Сознание не имеет определенного центра. Видимое единство связано с тем, что каждая отдельная цепь активируется и проявляет себя в конкретный момент времени. Наш опыт постоянно меняет наши нервные связи, физически меняя параллельную систему нашего сознания. Прямое вмешательство в это может иметь сюрреалистические эффекты, что поднимает вопрос о том, что такое сознание и где оно расположено.



Если левое полушарие мозга отделить от правого, как в случае с пациентами, перенесшими разделение мозга, вы сохраните способность говорить и думать с помощью левого полушария, в то время как познавательные способности правого полушария будут сильно ограничены. Левое полушарие не будет страдать от отсутствия правого, хотя это серьезно изменит ваше восприятие.

Например, вы не сможете описать правую сторону чьего-либо лица, но вы заметите этого, не увидите в этом проблему и даже не поймете, что что-то изменилось. Так как это затрагивает не только ваше восприятие реального мира, но и ваши мысленные образы, это не просто проблема восприятия, но фундаментальное изменение сознания.



Бог - в нейронах



Каждый нейрон имеет электрическое напряжение, которое меняется, когда ионы

проникают в клетку или покидают ее. Когда напряжение достигает определенного уровня, нейрон направляет электросигнал в другие клетки, где процесс повторяется.

Когда многие нейроны испускают сигнал одновременно, мы можем измерить это в виде волны.

Мозговые волны отвечают почти за всё, что происходит в нашем мозгу, включая память, внимание и даже интеллект.

Колебания различной частоты классифицируются как альфа-, бета- и гамма-волны. Каждый тип волн связан с различными задачами. Волны позволяют клеткам мозга настроиться на частоту, соответствующую задаче, игнорируя посторонние сигналы.

Так же, как радиоприемник настраивается на волну радиостанции. Передача информации между нейронами становится оптимальной, когда их деятельность синхронизирована.

Вот почему мы испытываем когнитивный диссонанс - раздражение, вызванное двумя несовместимыми идеями. Воля - это стремление уменьшить диссонанс между каждой из активных нейронных цепей.



Эволюция может рассматриваться как такой же процесс, где природа пытается адаптироваться то есть, «резонировать» с окружающей средой. Так она развилась до уровня, где обрела самосознание и начала задумываться о собственном существовании.

Когда человек сталкивается с парадоксом стремления к цели и мысли, что существование бессмысленно, происходит когнитивный диссонанс.






Поэтому многие люди обращаются к духовности и религии, отвергая науку, которая не способна дать ответ на экзистенциальные вопросы: кто я? и для чего я есть?



Я...



«Зеркальные нейроны не делают различий между собой и другими. „

Левое полушарие во многом отвечает за создание стройной системы убеждений, что поддерживает чувство непрерывности нашей жизни.

Новый опыт сравнивается с существующей системой убеждений, и если не вписывается в нее, то просто отвергается. Балансом выступает правое полушарие мозга, играющее противоположную роль.



В то время как левое полушарие стремится к сохранению модели, правое - непрерывно

подвергает сомнению статус-кво. Если расхождения слишком велики, правое полушарие заставляет пересмотреть наше мировоззрение. Но если наши убеждения слишком сильны, правое полушарие может не преодолеть нашего отказа. Это может создать большие сложности при отражении других.

Когда нервные связи, определяющие наши убеждения, не развиты или не активны, наше сознание, единство всех активных цепей, заполняется деятельностью зеркальных нейронов, так же, как когда мы голодны, наше сознание заполнено нейронными процессами, связанными с питанием.



Это не результат центрального “Я», отдающего команды различным областям мозга.

Все части мозга могут быть активными и неактивными и взаимодействовать без центрального ядра. Так же, как пиксели на экране могут сложиться в узнаваемый образ, группа нейронных взаимодействий может выразить себя как сознание.

В любой момент мы представляем собой другой образ. Когда мы отражаем других, когда мы голодны, когда мы смотрим этот фильм. Каждую секунду мы становимся другим человеком, проходя через разные состояния.

Когда мы смотрим на себя через зеркальные нейроны, мы создаем идею индивидуальности.

Но когда мы делаем это с научным пониманием, мы видим нечто совершенно иное.






Нейронные взаимодействия, создающие наше сознание, выходят далеко за пределы наших нейронов. Мы - результат электрохимических взаимодействий между полушариями мозга и наших чувств, связывающих наши нейроны с другими нейронами в нашей среде. Нет ничего внешнего. Это не гипотетическая философия, это основное свойство зеркальных нейронов, которое позволяет нам понять самих себя через других.



Считать эту нейронную деятельность своей собственной, исключая окружение, было бы неправильно. Эволюции также отражает наши стороны сверхорганизма, где наше выживание, как приматов, зависело от коллективных способностей.

Со временем развились неокортикальные области, позволяющие менять инстинкты и подавлять гедонистические импульсы ради блага группы. Наши гены стали развивать взаимное социальное поведение в структурах сверхорганизма, тем самым отказавшись от идеи «выживания сильнейшего».



Мозг действует наиболее эффективно, когда нет диссонанса между продвинутыми областями мозга и более старыми и примитивными. То, что мы называем «эгоистичными наклонностями» - лишь ограниченное толкование эгоистичного поведения, когда характеристики человека воспринимаются через неверную парадигму индивидуальности…

… вместо научного взгляда на то, кто мы есть - мгновенный вечно меняющийся образ

единого целого, не имеющего центра.



Психологическим следствием этой системы убеждений является самосознание без привязки к мнимому «Я», что приводит к повышению ясности ума, общественной сознательности, самоконтроля и того, что часто называется «быть здесь и сейчас».






Бытует мнение, что нам необходима история, хронологический взгляд на нашу жизнь, чтобы формировать моральные ценности.

Но наше современное понимание эмпатической и социальной природы мозга показывает, что чисто научный взгляд, без привязки к индивидуальности и «истории», дает гораздо более точную, конструктивную и этичную систему понятий, чем наши разрозненные ценности.



Это логично, потому что наша обычная склонность определять себя как воображаемую индивидуальную константу толкает мозг к когнитивным расстройствам, таким, как навязчивые стереотипы и потребность возлагать ожидания.






Стремление классифицировать лежит в основе всех наших форм взаимодействия. Но классифицируя эго как внутреннее, а среду - как внешнее, мы ограничиваем собственные нейрохимические процессы и испытываем мнимое чувство разобщенности.

Личностный рост и его побочные эффекты, такие как счастье и удовлетворение, стимулируются, когда мы не подвержены стереотипам в нашем взаимодействии.



Мы можем иметь различные взгляды и не соглашаться друг с другом, но взаимодействия, которые принимают нас такими, как есть, без осуждения, становятся нейропсихологическими катализаторами, которые стимулируют мозг

принимать других и принимать рационально доказуемые системы убеждений без когнитивного диссонанса.

Стимуляция этой нейронной деятельности и взаимодействия освобождает от нужды в отвлекающих факторах и развлечениях и создает циклы конструктивного поведения в нашей среде. Социологи обнаружили, что такие явления, как курение и переедание, эмоции и идеи распространяются в обществе так же, как передаются электрические сигналы нейронов, когда их деятельность синхронизирована.






Мы - глобальная сеть нейрохимических реакций. Саморазвивающийся цикл оценки и признания, поддерживаемый ежедневными решениями - это цепная реакция, которая в конечном итоге определяет нашу коллективную способность преодолеть мнимые разногласия и взглянуть на жизнь в ее вселенской структуре.

Глава 2
Вселенская структура



За время исследований Чирена я сделал упрощенный, но всесторонний обзор его текущих результатов.

Это одна из интерпретаций работы по объединению квантовой физики и теории относительности .

Данная тема сложна, и, возможно, будет трудна для понимания. Также она содержит некоторые философские выводы, которые будут затронуты в эпилоге.



За последнее столетие было много поразительных достижений, которые привели к изменению научной системы понимания мира. Теория относительности Эйнштейна показала, что время и пространство образуют единую ткань. А Нильс Бор выявил базовые компоненты вещества, благодаря квантовой физике - области, которая существует только как «абстрактное физическое описание».








После этого Луи де Бройль открыл, что всё вещество, а не только фотоны и электроны, обладает квантовым корпускулярно- волновым дуализмом . Эти привело к появлению новых школ мысли о природе реальности, а также популярных метафизических и псевдонаучных теорий.

Например, что человеческий разум может управлять вселенной через позитивное мышление. Эти теории привлекательны, но они не поддаются проверке и могут препятствовать научному прогрессу.



Законы специальной и общей теории относительности Эйнштейна применяются в современных технологиях, например, спутниках GPS, где точность расчетов может отклоняться более чем на 10 км в день, если не учесть такие последствия, как замедление времени. То есть, для движущихся часов время идет медленнее, чем для неподвижных.








Другие эффекты теории относительности - это сокращение длины для движущихся объектов и относительность одновременности, из-за чего невозможно с точностью утверждать, что два события происходят в одно и то же время, если они разделены в пространстве.

Ничто не движется быстрее скорости света. Это означает, что если трубу длиной 10 световых секунд толкнуть вперед, пройдет 10 секунд прежде, чем действие произойдет на другой стороне. Без интервала времени в 10 секунд труба не существует в полном объеме.

Дело не в ограниченности наших наблюдений, а в прямом следствии теории относительности, где время и пространство взаимосвязаны, и одно не может существовать без другого.

Квантовая физика дает математическое описание многих вопросов корпускулярно- волнового дуализма и взаимодействия энергии и материи. Она отличается от классической физики, прежде всего, на атомном и субатомном уровне. Эти математические формулировки абстрактны, и их выводы часто неинтуитивны.



Квант - это минимальная единица любой физической сущности, участвующей во взаимодействии. Элементарные частицы – основные компоненты вселенной. Это частицы, из которых состоят все другие частицы. В классической физике мы всегда можем разделить объект на более мелкие части, в квантовой - это невозможно.

Поэтому квантовый мир представляет собой множество уникальных явлений, необъяснимых по классическим законам. Например, квантовая сцепленность , фотоэффект , комптоновское рассеяние и многое другое.








Квантовый мир имеет много необычных интерпретаций. Среди наиболее широко признанных - копенгагенская интерпретация и многомировая интерпретация. В настоящее время набирают силу альтернативные интерпретации, такие как «голографическая вселенная».



Уравнения де Бройля



Хотя квантовая физика и законы относительности Эйнштейна одинаково необходимы для научного понимания вселенной, есть много нерешенных научных проблем и пока нет объединяющей теории.

Некоторые из текущих вопросов: Почему наблюдаемой материи во вселенной больше, чем антиматерии? Какова природа оси времени? Каково происхождение массы?

Одними из важнейших ключей к разгадке этих проблем являются уравнения де Бройля, за которые он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Эта формула показывает, что вся материя обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть, в одних случаях ведет себя как волна, а в других - как частица. Формула сочетает в себе уравнение Эйнштейна E = mc^2 с квантовой природой энергии.



Экспериментальные доказательства включают в себя интерференцию молекул фуллерена C60 в эксперименте с двумя щелями. Тот факт, что само наше сознание состоит из квантовых частиц, является предметом многочисленных мистических теорий.



И хотя отношения между квантовой механикой и сознанием едва ли так волшебны, как утверждают эзотерические фильмы и книги, выводы из этого весьма серьезны.

Так как уравнения де Бройля применяются ко всей материи, мы можем утверждать, что C = hf, где С - сознание, h - постоянная Планка, и f - частота.«С» отвечает за то, что мы воспринимаем как «сейчас», квантовая, то есть минимальная, единица взаимодействия.

Сумма всех моментов «C» вплоть до текущего момента - это то, что формирует наше видение жизни. Это не философское или теоретическое утверждение, а прямое следствие квантовости всей материи и энергии.

Формула показывает, что жизнь и смерть являются абстрактными совокупностями «C».

Другое следствие уравнений де Бройля - в том, что темп колебания материи или энергии и поведение ее как волны или частицы зависит от частоты системы отсчета.

Повышения частоты из-за скорости соотносятся с другими и приводят к таким явлениям, как замедление времени.

Причина этого - в том, что восприятие времени не меняется относительно системы отсчета, где пространство и время - это свойство квантов, а не наоборот.



Антиматерия и невозмущенное время



Большой адронный коллайдер. Швейцария

Античастицы создаются везде во вселенной, где происходят высокоэнергетические столкновения между частицами. Этот процесс искусственно моделируется в ускорителях частиц.

Одновременно с материей создается и антиматерия. Таким образом, недостаток антиматерии во вселенной до сих пор остается одним из крупнейший нерешенных вопросов физики.

Захватывая античастицы электромагнитными полями, мы можем исследовать их свойства. Квантовые состояния частиц и античастиц взаимно заменимы, если применить к ним операторы зарядового сопряжения ©, четности (Р) и обращения времени (Т).

То есть, если некий физик, состоящий из антивещества, будет проводить эксперименты в лаборатории, также из антивещества, используя химические соединения и вещества, состоящие из античастиц, он получит точно такие же результаты, как и его «вещественный» коллега. Но если они объединятся, произойдет огромный выброс энергии, пропорциональный их массе.

Недавно в лаборатории Ферми открыли, что такие кванты как мезоны со скоростью три триллиона раз в секунду переходят из вещества в антивещество и обратно.

Рассматривая вселенную в квантовой системе отсчета «С», необходимо принимать во внимание все экспериментальные результаты, применимые к квантам. Включая то, как материя и антиматерия создаются в ускорителях частиц, и как мезоны переходят из одного состояния в другое.



Применительно к «C» это имеет серьезные последствия. С квантовой точки зрения каждое мгновение «С» имеет и анти-С. Это объясняет отсутствие симметрии, то есть, антивещества во вселенной и также связано с произвольным выбором излучателя и поглотителя в теории поглощения Уилера-Фейнмана.

Невозмущенное время T в принципе неопределенности - это время или цикл, необходимый для существования квантов.

Так же, как в случае мезонов, границей нашего личного восприятия времени, то есть, диапазона текущего момента, является переход «C» в «анти-С». Этот момент самоаннигиляции и его толкование «С» заключен в рамки абстрактной оси времени.



Если определить взаимодействие и рассмотреть основные свойства корпускулярно-волнового дуализма кванта, все взаимодействия состоят из интерференции и резонанса.

Но так как этого не достаточно, чтобы объяснить фундаментальные силы, необходимо использовать различные модели. Это включает стандартную модель, которая выступает посредником между динамикой известных субатомных частиц через носители силы и общей теорией относительности, которая описывает макроскопические явления, такие, как орбиты планет, которые следуют эллипсу в пространстве и спирали в пространстве-времени. Но модель Эйнштейна не применима на квантовом уровне, и стандартная модель нуждается в дополнительных носителях силы, чтобы объяснить происхождение массы. Объединение двух моделей или Теория всего

является предметом многих, пока безуспешных исследований.



Теория всего



Квантовая механика – это чисто математические описания, чьи практические выводы часто противоречат интуиции. Классические понятия, такие, как длина, время, масса и энергия могут быть описаны аналогично.

Опираясь на уравнения де Бройля, мы можем заменить эти понятия на абстрактные векторы. Этот вероятностный подход к основным существующим концепциям в физике позволяет объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна.



Уравнения де Бройля показывают, что все системы отсчета являются квантовыми, включая всю материю и энергию. Ускорители частиц показали, что материя и антиматерия всегда создаются одновременно.

Парадокс того, как реальность появляется из абстрактных взаимоуничтожаемых компонентов, можно объяснить, используя кванты в качестве системы отсчета.

Проще говоря, мы должны взглянуть на вещи глазами фотона. Система отсчета всегда является квантовой и определяет, как квантуется пространство-время.

Когда система «увеличивается» или «уменьшается», то же самое происходит с пространством-временем. В квантовой механике это математически описывается как амплитуда вероятности волновой функции, а в теории Эйнштейна - как замедление времени и сокращение длины.

Для квантовой системы отсчета масса и энергия могут быть определены только как абстрактные вероятности или, если быть более конкретными и создать математическую основу - как векторы, существующие только тогда, когда мы предполагаем ось времени. Они могут определяться как интерференция или резонанс с системой отсчета, которая определяет минимальную единицу или пространственно-временную константу «с», эквивалентную постоянной Планка в квантовой механике.

Эксперименты показывают, что преобразование материи в энергию через антиматерию порождает гамма-лучи с противоположным импульсом. То, что кажется преобразованием, является соотношением между противоположными векторами, интерпретируемыми как расстояние и время, материя и антиматерия, масса и энергия, или интерференция и резонанс в пределах абстрактной оси времени «C».

Сумма противоположных векторов всегда равна нулю. Именно это является причиной симметрии или законов сохранения в физике или того, почему при скорости «с» время и пространство равны нулю из-за сокращения длины и замедления времени. Следствием этого является принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что некоторые пары физических свойств, например, положение и импульс, нельзя знать одновременно с высокой точностью.



В некотором смысле, отдельная частица является собственным полем. Это не объясняет наше чувство непрерывности, где «С» уничтожает само себя в пределах собственного необходимого диапазона. Но когда эти векторы экспоненциально усилены или ускорены относительно оси времени и в ее пределах, основные математические алгоритмы, описывающие фундаментальные силы, могут породить непрерывную реальность

из абстрактных компонентов.

Поэтому уравнения гармонического движения используются во многих областях физики, касающихся периодических явлений, например, в квантовой механике и электродинамике. И поэтому принцип эквивалентности Эйнштейна, из которого выводится модель пространства-времени, утверждает, что нет никакой разницы между гравитацией и ускорением.

Потому что гравитация является силой только при рассмотрении ее в колеблющейся системе отсчета.

Это иллюстрирует логарифмическая спираль, которая сводится к винтовой спирали в системе отсчета, заставляющей объекты вращаться и двигаться по орбитам. Для примера, два растущих яблока в растущей системе отсчета выглядят, словно они притягивают друг друга, в то время как размер кажется неизменным.

Противоположное возникает при интерференции. Проще говоря, увеличение или уменьшение размера объектов по мере нашего приближения или отдаления определяется смещением системы отсчета, как радио, которое настраивается на различные волны, чтобы поймать радиостанцию.



Это также применимо к силе тяжести. По сути, независимо от любой системы отсчета, фундаментальных сил не существует. Все взаимодействия в нашей абстрактной непрерывности можно математически описать через интерференцию и резонанс, если принята во внимание вечно меняющаяся и колеблющаяся минимальная единица или квант.

Экспериментальное доказательство включает невидимый эффект в стандартной модели, когда мы видим действие сил, но не носители силы.



Квантовая суперпозиция



Непрерывность реальности не требует, чтобы кванты имели последовательность во времени. Квант не является субъектом любого понятия пространства и времени и может одновременно занимать все его возможные квантовые состояния. Это называется квантовой суперпозицией и продемонстрировано, например, в эксперименте с двумя щелями или квантовой телепортации, где каждый электрон во вселенной может быть одним и тем же электроном. Единственное требование для абстрактной оси времени и последовательной непрерывности реальности - это алгоритм описания модели или абстрактная последовательность векторов.

Так как эта непрерывность определяет нашу способность к самосознанию, это подчиняет нас ее математическим следствиям - фундаментальным законам физики.

Взаимодействие - это просто толкование абстрактной модели. Именно поэтому квантовая механика дает только математические описания - она может лишь описать модели внутри бесконечных вероятностей.

Когда вероятность выражается как «C», информация, необходимая для описания текущего момента, или вероятностный диапазон «C», также воплощает собой ось времени. Природа оси времени является одним из крупнейших нерешенных вопросов физики, что привело ко многим новым популярным интерпретациям.

Например, голографический принцип - часть квантовой гравитациии теории струн - предполагает, что всю вселенную можно рассматривать как всего лишь двухмерную информационную структуру.



Время



Мы традиционно связываем понятие оси времени с последовательностью событий, которые мы переживаем через последовательность кратковременных и долговременных воспоминаний. Мы можем иметь воспоминания только о прошлом, но не будущем, и мы всегда полагали, что это отражает течение времени.

Ученые начали сомневаться в этой логике, только когда открытия в квантовой механике продемонстрировали, что некоторые явления не связаны с нашим понятием времени, и что наши представления о времени - всего лишь восприятие изменений наблюдаемых параметров.

Это также отражается в замедлении времени и сокращении длины, что является одной из причин, по которым Эйнштейн установил, что время и пространство - это единая ткань.

В абсолютном смысле, понятие времени не отличается от понятия расстояния.

Секунды равны световым секундам, но взаимно исключают друг друга. Проще говоря: так как расстояние и время противоположны, течение времени можно толковать как расстояние, пройденное стрелками часов, так как они движутся в направлении, противоположном времени.

Двигаясь вперед в расстоянии, они фактически движутся назад в так называемом времени. Именно поэтому каждая минимальная единица опыта немедленно поглощается вечным «сейчас».

Это толкование устраняет разногласие между коллапсом волновой функции и квантовой декогеренцией. Такие понятия, как «жизнь» и «смерть» - это чисто интеллектуальные конструкции. И любые религиозные рассуждения о загробной жизни, происходящей в мире, неподвластном математическим законам этой реальности, также вымышлены.



Еще одно важное следствие - в том, что теория Большого взрыва, где вселенная происходит из одной точки - это недоразумение. Традиционное представление пространства-времени где пространство является трехмерным, а время играет роль четвертого измерения - неправильно. Если мы хотим изучить происхождение вселенной, мы должны смотреть вперед, так как вектор времени «С» противоположен вектору расстояния, с которого мы воспринимаем расширяющуюся вселенную. Хотя эта временнАя карта вселенной даст лишь абстрактные понятия без учета ее квантовой основы.



Экспериментальные доказательства включают ускорение расширения вселенной, а также обратную или регрессивную метрику черных дыр и многие проблемы, связанные

с теорией Большого взрыва, например, проблема горизонта.



Неврологические следствия



Эти умозаключения могут поднимать вопросы о свободной воле, так как кажется, что в нашем восприятии времени сначала происходит действие, а потом осознание.

Большинство исследований, проливающих свет на этот вопрос, показывают, что действие действительно происходит до его осознания. Но детерминистская точка зрения опирается на ошибочное представление о времени, что показывают математические описания вероятности в квантовой механике.



Эти толкования будут важны для будущих неврологических исследований, так как они показывают, что любая нейронная цепь - это вектор, определяющий когнитивный диссонанс и интерференцию или резонанс в «С». Способность понимать и сознательно изменять эти векторы, обретенная за миллиарды лет эволюции, подтверждает, насколько важны наши системы убеждений для расширения нашего осознания, и как они влияют на нашу рабочую память, которая отвечает за нашу способность, устанавливать связи, и за нервные процессы, которые формируют смысл. Это также объясняет, что для искусственного сознания потребуется сеть

независимых процессоров, а не линейная последовательность сложных алгоритмов.



Ограниченное толкование



Единая теория Athene является решением, объединяющим квантовую физику и теорию относительности. Хотя она отвечает на многие вопросы физики, перечисленные здесь, это мое ограниченное толкование первых месяцев его научного исследования.

Независимо от итогов, становится ясно, что мы вступили в эпоху, в которой наука открыта для всех. И если мы сохраним доступность и нейтральность интернета, мы сможем проверить правильность наших идей, развивать наше воображение, создавая новые взаимосвязи, и мы можем продолжить развитие нашего понимания

вселенной и разума.



Эпилог



В квантовой механике мы научились другому подходу к реальности и рассматривать всё, как вероятности, а не как определенности. В математическом смысле всё возможно.

Как в науке, так и в нашей повседневной жизни наша способность вычислять или угадывать вероятности, определяется нашей интеллектуальной способностью распознавать закономерности.

Чем более мы открыты, тем более четко мы можем видеть эти закономерности и основывать свои действия на разумной вероятности.

Так как в саму природу нашего левого полушария заложено отрицание идей, которые не вписываются в наши текущие взгляды, чем более привязаны мы к своим убеждениям, тем менее мы способны сделать сознательный выбор для себя. Но, контролируя этот процесс, мы расширяем свое самосознание и увеличиваем свободную волю.

Говорят, что мудрость приходит с возрастом. Но с открытостью и скептицизмом - ключевыми научными принципами - нам не нужны десятилетия проб и ошибок, чтобы определить, какие из наших убеждений могут быть неправильны.

Вопрос не в том, верны наши убеждения или нет, а в том, принесет пользу или вред наша эмоциональная привязанность к ним.



Свободного выбора не существует, пока мы эмоционально привязаны к системе убеждений. Как только у нас будет достаточно самосознания, чтобы понять это, мы сможем работать вместе, чтобы понять вероятности того, что на самом деле принесет нам наибольшую пользу.

«Развитие квантовой механики подвергло беспрецедентной критике наши классические научные взгляды. Самосознание и готовность пересмотреть свои гипотезы, которые постоянно подвергаются испытанию наукой и человечеством, будут определять степень, в которой мы достигнем более глубокого понимания разума и вселенной.»

Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.

Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это .

Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.

Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.

Квантовая физика дискретна

Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.

В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».

Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.

Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.

Квантовая физика является вероятностной

Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.

Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).

В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.

Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.

Квантовая физика нелокальна

Последний не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».

Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).

Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.

Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.

Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым

У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.

Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.

Квантовая физика - не магия

Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.

Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.

Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.

Физика - самая загадочная из всех наук. Физика дает нам понимание окружающего мира. Законы физики абсолютны и действуют на всех без исключения, не взирая на лица и социальный статус.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Фундаментальные открытия в области квантовой физики

Исаак Ньютон, Никола Тесла, Альберт Эйнштейн и многие другие — великие проводники человечества в удивительном мире физики, которые подобно пророкам открыли человечеству величайшие тайны мироздания и возможности управления физическими явлениями. Их светлые головы рассекли тьму невежества неразумного большинства и подобно путеводной звезде указали путь человечеству во мраке ночи. Одним из таких проводников в мире физики стал Макс Планк — отец квантовой физики.

Макс Планк не только основоположник квантовой физики, но и автор всемирно известной квантовой теории. Квантовая теория — важнейшая составляющая квантовой физики. Простыми словами, данная теория описывает движение, поведение и взаимодействие микрочастиц. Основатель квантовой физики также принес нам и множество других научных трудов, которые стали краеугольными камнями современной физики:

• теория теплового излучения;
• специальная теория относительности;
• исследования в области термодинамики;
• исследования в области оптики.

Теория квантовой физики о поведении и взаимодействии микрочастиц стала основой для физики конденсированного состояния, физики элементарных частиц и физики высоких энергий. Квантовая теория объясняет нам суть множества явлений нашего мира — от функционирования электронных вычислительных машин до строения и поведения небесных тел. Макс Планк, создатель данной теории, благодаря своему открытию позволил нам постигнуть истинную суть многих вещей на уровне элементарных частиц. Но создание данной теории — далеко не единственная заслуга ученого. Он стал первым, кто открыл фундаментальный закон Вселенной — закон сохранения энергии. Вклад в науку Макса Планка сложно переоценить. Если говорить кратко, то его открытия бесценны для физики, химии, истории, методологии и философии.

Квантовая теория поля

В двух словах, квантовая теория поля — это теория описания микрочастиц, а также их поведения в пространстве, взаимодействия между собой и взаимопревращения. Данная теория изучает поведение квантовых систем в рамках, так называемых степеней свободы. Это красивое и романтичное название многим из нас толком ничего не говорит. Для чайников, степени свободы — это количество независимых координат, которые необходимы для обозначения движения механической системы. Простыми словами, степени свободы — это характеристики движения. Интересные открытия в области взаимодействия элементарных частиц совершил Стивен Вайнберг. Он открыл так называемый нейтральный ток — принцип взаимодействия между кварками и лептонами, за что и получил Нобелевскую премию в 1979-ом году.

Квантовая теория Макса Планка

В девяностых годах восемнадцатого века немецкий физик Макс Планк занялся изучением теплового излучения и в итоге получил формулу для распределения энергии. Квантовая гипотеза, которая родилась в ходе данных исследований, положила начало квантовой физике, а также квантовой теории поля, открытой в 1900-ом году. Квантовая теория Планка заключается в том, что при тепловом излучении продуцируемая энергия исходит и поглощается не постоянно, а эпизодически, квантово. 1900-ый год, благодаря данному открытию, которое совершил Макс Планк, стал годом рождения квантовой механики. Также стоит упомянуть о формуле Планка. Если говорить кратко, то ее суть следующая — она основана на соотношении температуры тела и его излучения.

Квантово-механическая теория строения атома

Квантово-механическая теория строения атома является одной из базовых теорий понятий в квантовой физике, да и в физике вообще. Данная теория позволяет нам понять строение всего материального и открывает завесу тайны над тем, из чего же на самом деле состоят вещи. А выводы, исходя из данной теории, получаются весьма неожиданные. Рассмотрим строение атома кратко. Итак, из чего же на самом деле состоит атом? Атом состоит из ядра и облака электронов. Основа атома, его ядро, содержит в себе почти всю массу самого атома — более 99 процентов. Ядро всегда имеет положительный заряд, и он определяет химический элемент, частью которого является атом. Самым интересным в ядре атома является то, что он содержит в себе практически всю массу атома, но при этом занимает лишь одну десятитысячную его объема. Что же из этого следует? А вывод напрашивается весьма неожиданный. Это значит, что плотного вещества в атоме — всего лишь одна десятитысячная. А что же занимает все остальное? А все остальное в атоме — электронное облако.

Электронное облако — это не постоянная и даже, по сути, не материальная субстанция. Электронное облако — это лишь вероятность появления электронов в атоме. То есть ядро занимает в атоме лишь одну десятитысячную, а все остальное — пустота. И если учесть, что все окружающие нас предметы, начиная от пылинок и заканчивая небесными телами, планетами и звездами, состоят из атомов, то получается, что все материальное на самом деле более чем на 99 процентов состоит из пустоты. Эта теория кажется вовсе невероятной, а ее автор, как минимум, заблуждающимся человеком, ведь вещи, существующие вокруг, имеют твердую консистенцию, имеют вес и их можно осязать. Как же он могут состоять из пустоты? Не закралась ли ошибка в эту теорию строения вещества? Но ошибки тут никакой нет.

Все материальные вещи кажутся плотными лишь за счет взаимодействия между атомами. Вещи имеют твердую и плотную консистенцию лишь за счет притяжения или же отталкивания между атомами. Это и обеспечивает плотность и твердость кристаллической решетки химических веществ, из которых и состоит все материальное. Но, интересный момент, при изменении, например, температурных условий окружающей среды, связи между атомами, то есть их притяжение и отталкивание может слабеть, что приводит к ослаблению кристаллической решетки и даже к ее разрушению. Именно этим объясняется изменение физических свойств веществ при нагревании. Например, при нагревании железа оно становится жидким и ему можно придать любую форму. А при таянии льда, разрушение кристаллической решетки приводит к изменению состояния вещества, и из твердого оно превращается в жидкое. Это яркие примеры ослабления связей между атомами и, как следствие, ослабления или разрушения кристаллической решетки, и позволяют веществу стать аморфным. А причина таких загадочных метаморфоз как раз в том, что вещества лишь на одну десятитысячную состоят из плотной материи, а все остальное — пустота.

И вещества кажутся твердыми лишь по причине прочных связей между атомами, при ослаблении которых, вещество видоизменяется. Таким образом, квантовая теория строения атома позволяет совершенно по-другому взглянуть на окружающий мир.

Основатель теории атома,Нильс Бор, выдвинул интересную концепцию о том, что электроны в атоме не излучают энергию постоянно, а лишь в момент перехода между траекториями своего движения. Теория Бора помогла объяснить многие внутриатомные процессы, а также сделала прорыв в области такой науки, как химия, объясняя границу таблицы, созданной Менделеевым. Согласно , последний элемент, способный существовать во времени и пространстве, имеет порядковый номер сто тридцать семь, а элементы, начиная со сто тридцать восьмого, существовать не могут, так как их существование противоречит теории относительности. Также, теория Бора объяснила природу такого физического явления, как атомные спектры.

Это спектры взаимодействия свободных атомов, возникающие при излучении энергии между ними. Такие явления характерны для газообразных, парообразных веществ и веществ в состоянии плазмы. Таким образом, квантовая теория сделала революцию в мире физики и позволила продвинуться ученым не только в сфере этой науки, но и в сфере многих смежных наук: химии, термодинамики, оптики и философии. А также позволила человечеству проникнуть в тайны природы вещей.

Еще очень многое надлежит перевернуть человечеству в своем сознании, чтобы осознать природу атомов, понять принципы их поведения и взаимодействия. Поняв это, мы сможем понять и природу окружающего нас мира, ведь все, что нас окружает, начиная с пылинок и заканчивая самим солнцем, да и мы сами — все состоит из атомов, природа которых загадочна и удивительна и таит в себе еще массу тайн.