Jegor Zadeba erzählte, wie sich die Gesetze des Mikrokosmos auf den Makrokosmos auswirken, an den wir gewöhnt sind.
Wir haben kürzlich ein Interview mit dem Physiker Dmitry Sidorin veröffentlicht, dass wir höchstwahrscheinlich in der Matrix leben, die von der Natur selbst geschaffen wurde, und die Welt um uns herum ist nur eine Illusion. Die Leser waren besonders schockiert über das Bild einer Ameise: Während er das Universum betrachtet, existiert es, wird müde, schließt die Augen und das war's, das Ende der Welt? Wir beschlossen, noch einmal auf das Thema zurückzukommen und sprachen mit Egor Zadeba, außerordentlicher Professor an der MEPhI der National Research Nuclear University. Tief im Inneren hofften sie, dass Jegor Alexandrowitsch ein wenig Physik in den Alltag der Texte einfließen lassen würde: Leben und abhängig von einer Ameise ist irgendwie beängstigend. Mal sehen, ob es geklappt hat.
Die Quantenmechanik sagt: Wenn wir die Welt betrachten, ändert sie sich (das Prinzip der Unsicherheit). Vielleicht existiert es ohne unseren Blick einfach nicht. Und wenn eine Ameise sucht? Tier?
„Genau genommen macht die Quantenmechanik solche Aussagen nicht. Es ist vielmehr eine populärwissenschaftliche Interpretation seiner Merkmale. Am häufigsten wird bei der Erklärung des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips vom Einfluss des Beobachters auf den Verlauf physikalischer Prozesse gesprochen. Ein Beobachter in der Physik bedeutet jedes Messgerät, sei es ein spezielles Gerät oder ein menschliches Auge. Die Ameise mit Sehen, Hören und Riechen ist auch ein klassischer Beobachter. Wenn Sie einer Ameise ein Interferometer geben, wird das Gerät selbst zum Beobachter. Wie wirkt sich Beobachtung auf das Thema aus? Um beispielsweise etwas durch ein Mikroskop zu sehen, müssen Sie dieses Objekt mit Licht bestrahlen - es wird gestreut, reflektiert, mit anderen Worten, wenn wir beobachten, werden wir das Objekt beeinflussen.
Lassen Sie uns nun verstehen, was das Unsicherheitsprinzip ist. Unter diesem Phänomen wird gewöhnlich die Unmöglichkeit verstanden, die Koordinaten (Position im Raum) und den Impuls (in der klassischen Mechanik ist dies die Masse multipliziert mit der Geschwindigkeit) eines Elementarteilchens oder beispielsweise eines Atomkerns absolut genau gleichzeitig zu messen. Die Messgenauigkeit von beiden ist durch die Plancksche Konstante begrenzt (darüber - unten). Der Punkt ist nicht, dass wir schlechte Instrumente haben, und eines Tages werden wir Messungen absolut genau durchführen. Dies ist eine grundlegende Einschränkung, die nicht von unserer Hardware abhängt. So funktioniert die Natur.
Wie sieht es in einem echten Experiment aus? Stellen Sie sich vor, Sie fotografieren ein Elementarteilchen. Wenn Sie die kürzeste Verschlusszeit wählen, erhalten Sie ein schönes, scharfes Bild, von dem aus die Position des Partikels mit großer Präzision gemessen werden kann. Aber es ist unmöglich zu verstehen, wo es sich bewegt und mit welcher Geschwindigkeit - es ist nur ein Punkt. Fahren Sie mit Plan B fort - wir verlängern die Verschlusszeit und erhalten ein verschwommenes Bild, das zeigt, dass das Partikel während der Aufnahme einen bestimmten Weg von einem Punkt zum anderen zurückgelegt hat. Aus einem solchen Foto können wir leicht die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen und seine Masse und dann den Impuls kennen. Aufgrund des unscharfen Bildes kann die Koordinate jedoch nicht genau bestimmt werden. Je länger die Verschlusszeit ist, desto länger ist das Partikel und desto genauer messen wir den Impuls. Die Genauigkeit der Messkoordinaten nimmt jedoch ab.
Das Unsicherheitsprinzip ist nicht auf die Impuls-Koordinaten-Verbindung beschränkt. Genau das gleiche Bild wird zum Beispiel im "Zeit-Energie" -Paar beobachtet. Und obwohl die Popularisierer der Wissenschaft seltener darüber sprechen, verwenden Physiker dieses Bündel viel häufiger, viele wissenschaftliche Methoden basieren darauf.
Das auffälligste Beispiel: Ohne diese Unsicherheit könnten wir niemals die Lebensdauer vieler Elementarteilchen messen! Einige Teilchen leben nur 10 bis minus 23 Grad einer Sekunde. Es ist schwer vorstellbar, wie kurz dieses Zeitintervall ist. Während dieser Zeit schafft es das Licht beispielsweise, eine Strecke zurückzulegen, die kleiner als die Größe eines Atomkerns oder ein Tausendstel der Größe eines Atoms ist. Wir hätten niemals eine Uhr gebaut, die so kurze Zeiträume messen kann. Und doch konnten Physiker die Lebensdauer solcher Teilchen messen. Das Unsicherheitsprinzip hilft uns. Mit Hilfe eines Beschleunigers wird die Masse gemessen und viele tausend Mal gemessen. In der Physik sind Masse und Energie äquivalent (das berühmte E = mc2), was bedeutet, dass wir auch Energie kennen. Das Zeitintervall ist die Lebensdauer des Partikels: Je kürzer es ist, desto mehr unterscheidet sich die Masse in jeder nachfolgenden Dimension. Du hast richtig gehörtDie Masse des Partikels ist jedes Mal anders. Es bleibt uns überlassen, die Plancksche Konstante durch die gemessene Massenverteilung zu dividieren - und das ist es, wir haben die Lebensdauer eines kurzlebigen Teilchens mit guter Genauigkeit bestimmt.
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Die praktische Anwendung des Unsicherheitsprinzips ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es ist auch möglich, inverse Probleme zu lösen: die Energieänderungen durch Zeitintervalle zu bestimmen. Dank dieses Effekts können "virtuelle Partikel" existieren. Ihre Anwesenheit führt dazu, dass das Vakuum in jedem Teil des Universums Masse hat. Und es ist auch wegen ihnen, dass schwarze Löcher verdunsten.
Ein MEPhI-Professor scherzte in seinem Herzen bei der Vorlesung, dass für eine sehr kurze Zeit ein Bus aus Materie und ein Bus aus Antimaterie im Publikum erschienen, sie vernichten, und wir bemerken es nicht einmal. Dies ist ein Witz, aber dies widerspricht nicht der Wissenschaft, die wir kennen.
Jegor Zadeba erzählte, wie sich die Gesetze des Mikrokosmos auf den Makrokosmos auswirken, an den wir gewöhnt sind.
Sprechen wir über die Planck-Konstante. In der Populärliteratur heißt es, dies sei die Grenze zwischen unserer klar definierten, "richtigen" Welt und dem Mikrokosmos, der an einen fantastischen Traum erinnert. Was für eine Konstante ist das?
- Die Plancksche Konstante ist eine physikalische Konstante, die beispielsweise die Wellenlänge eines Photons und seine Energie in Beziehung setzt. Einfach ausgedrückt, je länger die Wellenlänge des Photons ist, desto geringer ist seine Energie, und unsere Konstante ist nur ein Proportionalitätskoeffizient. Die Energie einer Radiowelle ist geringer als die des sichtbaren Lichts und ihre Photonen sind weniger energiereich als Röntgenstrahlen. In der modernen Physik erscheint die Planck-Konstante auf dem Niveau vieler anderer Grundkonstanten, beispielsweise der Feinstrukturkonstante. Ich würde die Grenze zwischen Makro- und Mikrokosmos nicht nach Plancks Konstante definieren. In unserer „großen Welt“sehen wir in der Regel keine Quanteneffekte aufgrund von Dekohärenz.
Was ist es?
- Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Bauunternehmer und haben Hochleistungsziegel (Bauquanten). Das Sammeln von etwas, das kleiner als ein Ziegelstein ist, funktioniert nicht, sie stechen nicht. Das Zusammenbauen eines Objekts mit einer Größe von anderthalb Steinen schlägt ebenfalls fehl. Aber ein Haus von ihnen kann in fast jeder Form zusammengebaut werden, irgendwo mit einer Lücke spielen, irgendwo mit der Menge an Lösung. Das heißt, die Unteilbarkeit (Quantisierung) des Baumaterials macht sich mit einer Verringerung der Größe des von Ihnen gebauten Gebäudes bemerkbar. Wo in diesem Beispiel die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos liegt, entscheiden Sie selbst.
Können die Gesetze des Mikrokosmos noch in unsere Welt eindringen?
- Eines der Hauptgesetze der Mikrowelt ist die bereits erwähnte Quantisierung. Zum Beispiel kann sich ein Satellit in einer Vielzahl von Umlaufbahnen um unseren Planeten drehen, er kann einen Meter tiefer oder höher absteigen, er ist nicht sehr begrenzt. Ein Elektron in einem Atom muss jedoch ein streng festes Orbital haben, in dem es eine feste Energie hat. Um ein Atom anzuregen und ein Elektron auf ein höheres Energieniveau zu übertragen, muss es Energie übertragen, die genau der Differenz zwischen den Orbitalen entspricht. Das Atom nimmt keine andere Energie auf. Aus diesem Grund ist Glas übrigens transparent - Licht kann nicht von seinen Atomen absorbiert werden, die Energie der Photonen des sichtbaren Lichts entspricht keinem elektronischen Übergang im Glas.
Normalerweise sind Quanteneffekte im Makrokosmos bei extrem niedrigen Temperaturen deutlich sichtbar. In einer warmen Substanz bewegen sich Atome, Elektronen befinden sich in angeregten Zuständen und die Energieniveaus sind merklich verschwommen. Aber bei Temperaturen um Null Kelvin (-273,15 Grad Celsius) sind die Atome in Ruhe, es gibt keine Anregung und sie verhalten sich alle gleich. Eine Substanz kann unter solchen Bedingungen einen streng festgelegten Anteil an Energie geben oder empfangen. Zum Beispiel verliert oder erhält eine kalte Flüssigkeit keine Energie durch Reibung, weil es nicht ausreicht, "gefrorene" Atome anzuregen. Es tritt das Phänomen der Superfluidität auf, das in der modernen Technologie sehr wichtig ist. Zusammen mit der Supraleitung sind dies klare Beispiele für die Manifestation von Quanteneffekten in unserer Welt. In gewisser Weise hat die Technologie bereits die Grenze zwischen den Welten verwischt, und ein Mensch wendet die Auswirkungen der "fremden Welt" in seinem täglichen Leben an.
Können Wesen aus einer anderen Dimension zu uns kommen?
- Nehmen Sie andere Dimensionen nicht wörtlich. Die experimentellen Daten zeigen nicht das Vorhandensein neuer Messungen an. In den meisten Theorien erwiesen sie sich als praktischer mathematischer Trick, um komplexe Probleme elegant zu lösen. Viele von ihnen können unter der Bedingung gelöst werden, dass die Messungen unendlich sind. Aber auch theoretische Physiker verlieren nicht den Kontakt zur Realität. Und alle bestätigten Theorien projizieren letztendlich viele "zusätzliche" Dimensionen auf diejenigen, die wir verstehen: Länge, Breite, Höhe und Zeit.
Wie kann man sich zusätzliche Dimensionen vorstellen? Stellen Sie sich vor, Sie können einen Schlauch aus der Ferne sehen. Es scheint Ihnen eindimensional - es hat nur Länge. Und nur wenn Sie ganz nah dran sind, bemerken Sie, dass es nicht nur voluminös ist, sondern auch Farbe, Geruch und viele andere Eigenschaften (Abmessungen) aufweist. Daher sollte man die Menschheit nicht mit einem "Wurm auf einem flachen Tisch" vergleichen, der keine neuen Dimensionen erkennen kann. Wir sehen genug, und die Einführung neuer Räume bleibt nur eine bequeme Methode zur Lösung von Problemen.
EVGENY ARSYUKHIN