В новом выпуске StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон и приглашенный физик-теоретик разбирают фундаментальные основы квантовой механики, от загадочного бозона Хиггса до парадоксов кота Шрёдингера. Участники обсуждают, почему субатомный мир бросает вызов нашему здравому смыслу и как современные открытия в области темной энергии заставляют научное сообщество пересматривать теорию Большого взрыва и законы гравитации.
🧬 Бозон Хиггса: «Голливудская вечеринка» для элементарных частиц 0:01
Нил Деграсс Тайсон поясняет, что квантовая физика применима ко всем частицам — протонам, нейтронам, электронам, нейтрино и кваркам. Хотя законам квантовой механики подчиняется вся Вселенная, их проявления становятся тем заметнее, чем меньше объект .
Бозон Хиггса Тайсон называет «крутой» (badass) частицей, поскольку именно она отвечает за наличие массы у материи. Механизм работы поля Хиггса он описывает через оригинальную аналогию с голливудской вечеринкой:
- Низкая масса: Если вы неизвестный человек на вечеринке, вы можете быстро пройти к бару, не встречая препятствий. У вас «низкая голливудская масса».
- Высокая масса: Если вы знаменитость, вокруг вас мгновенно собирается толпа поклонников, требующих автографы и фото. Вы движетесь к бару крайне медленно из-за огромной инерции. Это и есть «высокая голливудская масса» .
В этой метафоре поле Хиггса — это сама вечеринка, а взаимодействие с ним определяет инерцию и массу частицы. Нейтрон же, по шутливому замечанию Тайсона, подобен человеку без связей: у него нет заряда, он никого не привлекает и просто «сидит дома, оплакивая свою карьеру» .
🚀 Квантовое туннелирование и тахионы: быстрее света? 1:46
Обсуждая вопрос о мгновенной связи между частицами, Тайсон объясняет явление квантового туннелирования. Поскольку частицы одновременно являются волнами, их «волновая функция» может существовать по обе стороны физического барьера. Электрон способен исчезнуть с одной стороны «холма» и мгновенно появиться с другой, фактически перемещаясь быстрее скорости света .
Отдельное внимание участники уделили тахионам — гипотетическим частицам, название которых происходит от греческого tachyos (скорость) . По словам Тайсона, свойства тахионов выглядят следующим образом:
- Они существуют только на скоростях, превышающих скорость света.
- Скорость света для них является нижним пределом, который они никогда не могут пересечь «сверху вниз».
- Согласно уравнениям Эйнштейна, такие частицы должны двигаться назад во времени .
Тайсон подчеркивает, что тахионы — это теоретическая концепция, и они, скорее всего, не существуют в реальности, хотя их существование формально не нарушает теорию относительности .
👁️ Эффект наблюдателя: почему сознание здесь ни при чем 3:34
Одной из самых обсуждаемых тем стал «эффект наблюдателя». Нил Деграсс Тайсон выразил сожаление по поводу самого названия этого термина, так как оно вводит в заблуждение людей, склонных к мистицизму. Он решительно опровергает популярное в среде «New Age» мнение, будто человеческое сознание напрямую влияет на физическую реальность .
На самом деле, как объясняет Тайсон, речь идет не о «наблюдении», а о физическом измерении:
- Чтобы «увидеть» объект, на него нужно направить свет.
- Фотоны света несут энергию .
- Для макроскопических объектов (например, человека) энергия фотонов ничтожна. Но если объект размером с электрон, удар фотона буквально выбивает его в другое местоположение .
Тайсон заключает: мы не можем знать, что делала частица до измерения, потому что сам процесс «подсвечивания» меняет её состояние. Это фундаментальный барьер измерения, а не результат работы мозга .
🐈 Кот Шрёдингера и квантовая запутанность 7:40
В контексте суперпозиции Тайсон упоминает знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, который находится в ящике и пребывает в состоянии «и мертв, и жив» одновременно, пока мы не откроем крышку .
Для объяснения квантовой запутанности Тайсон использует пример с куриной косточкой-желанием (wishbone):
- Классический пример: Если разломить косточку на большую и маленькую части и разнести их на разные концы Вселенной, узнав размер одной части, вы мгновенно узнаете размер другой. В этом нет магии, так как размеры были определены в момент разлома .
- Квантовый случай: В квантовом мире состояние частиц не определено до момента измерения. Обе части находятся в суперпозиции «большая/маленькая» одновременно .
По мнению Нила Деграсса Тайсона, если строго придерживаться правил квантовой механики, это опровергает возможность существования всеведущего существа (бога), так как состояние системы объективно не определено до измерения . Реальностью в данном случае является не состояние косточки, а детерминированная вероятность её обнаружения .
🌌 Декогеренция и разрушение суперпозиции 11:10
Гость-физик поясняет, что суперпозиция — крайне хрупкое состояние. В лабораториях ученые пытаются изолировать системы от любых воздействий, чтобы сохранить их квантовые свойства. Состояние «схлопывается» не из-за взгляда человека, а из-за взаимодействия с окружающими молекулами воздуха или тепла, что называется декогеренцией .
Это сравнивается с карандашом, стоящим на острие: любое случайное взаимодействие заставляет его упасть в одно из определенных состояний. Когда Тайсон «смотрит» на свою частицу на Андромеде, взаимодействие мгновенно заставляет партнерскую частицу на Земле принять соответствующее состояние, чтобы сохранился баланс системы .
🌀 Мультивселенная, Тор и пересмотр гравитации 13:35
Обсуждая возможность путешествий между вселенными, Тайсон отмечает, что в фильмах о Торе порталы между мирами технически являются червоточинами (wormholes) внутри одной вселенной . Однако концепция Мультивселенной предполагает, что целые вселенные могут возникать как квантовые флуктуации, подобно частицам, появляющимся и исчезающим в вакууме .
В финальной части беседы физик-теоретик подчеркивает, что современные астрономические наблюдения ставят науку в тупик:
- Темная материя: Мы до сих пор не понимаем природу «загадочной гравитации», которая удерживает галактики .
- Расширение Вселенной: Разные методы измерения скорости расширения пространства дают несовместимые результаты .
- Темная энергия: Открытие 1998 года показало, что Вселенная расширяется с ускорением, хотя гравитация должна замедлять этот процесс .
Гость утверждает, что для примирения этих данных ученым, возможно, придется «подправить» теорию струн, наше понимание гравитации или даже признать, что антигравитационное отталкивание темной энергии усиливается со временем, что в корне изменит наши представления о будущем космоса .
