Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Мы говорим, что понятие, теория, представление или измерение являются количественными , когда они выражаются числами. В противном случае они качественные . «Числа», используемые в количественном описании, могут быть натуральными числами, действительными числами, комплексными числамиили какими-то другими, в зависимости от задачи.

Мы также говорим о полуколичественных концепциях, теориях, представлениях или измерениях, когда они выражены с использованием чисел, но не вполне точно или последовательно. Мы можем обнаружить, что различные ученые-практики, используя ту же самую полуколичественную физическую теорию, выводят из нее различные следствия в зависимости от того, каким образом они дополняют плохо определенные части теории.

Слово «качественный» может также использоваться для усиления следующим образом. Говоря, что идея или явление качественно новы, мы подразумеваем, что это не просто дальнейшая разработка или углубление того, что было известно прежде, а нечто принципиально другое, так что старое и новое нельзя сравнивать количественно. Например, волновые функции квантовой теориикачественно отличаются от орбитклассической физики, чье место они заняли теперь.

Объекты, которые мы обычно называем элементарными частицами, считаются, согласно нашей Главной теории, возмущениями в квантовых флюидах. Таким образом, фотоны – это возмущения в электромагнитном флюиде, электроны – возмущения в электронном флюиде, глюоны – возмущения в глюонном флюиде, частицы Хиггса – возмущения в флюиде Хиггсаи т. д. Если мы рассматриваем движение этих флюидов согласно правилам классической физики, мы видим, что их энергия может принимать непрерывный ряд значений. Но когда мы рассматриваем их согласно правилам квантовой теории, мы обнаруживаем, что разрешенные возмущения существуют в виде неделимых единиц, а именно в виде чего-то, что мы признаем элементарными частицами!

См. главным образом статью о Фотоне, чтобы узнать больше о кванте электромагнитного поля – исходных «квантах света» Планка и Эйнштейна.

Этот термин используется в трех различных смыслах: в общем, в конкретном специальном значении и как элемент жаргона.

Общий смысл: когда мы отображаем, или, как мы говорим, проецируемнепрерывную величину на набор дискретных значений, мы говорим, что подвергли эту величину квантованию . Другими словами, процесс квантования превращает аналоговуювеличину в ее цифровоепредставление. Квантование в этом смысле является самой обычной практикой в современной инженерии и обработке информации, потому что цифровые величины легче передать и хранить их точные значения, чем аналоговые величины. (См. Аналоговыйи Цифровой, чтобы узнать больше.) За некоторыми, очень специальными исключениями современные компьютеры работают лишь с цифровой информацией, и поэтому значения аналоговых сигналов, таких как интенсивностьсвета, квантуются еще до того, как они будут введены. Эта операция называется квантованием .

Важный результат квантовой механики состоит в том, что она квантует (в вышеуказанном смысле) многие величины, которые в классической физике были непрерывны. (За этим стоит Природа, или Творец, а не какой-то человек-инженер!) Примеры квантуемых в узком смысле величин и объектов:

• Энергияв электромагнитной волне. См. Фотон.

• Энергияв атоме. Согласно классической механике отрицательно заряженный электрон может двигаться вокруг положительно заряженного протона по многим слегка отличающимся орбитам, что позволяет ему иметь непрерывный диапазон энергий. В квантовой механике разрешенные орбиты отличаются дискретно, т. е. являются квантованными, и, следовательно, разрешенные энергии тоже. (См. Стационарное состояние, Спектры (атомный, молекулярный и прочие) и подробное обсуждение с рисунками в главе «Квантовая красота I».)

• Элементарные частицыкак таковые. См. Квант (единица материи), кванты.

Жаргон: физики часто называют процедуру применения квантовой механики к физической системе «квантованием» этой системы. Это существенно иное использование термина, которое может вызвать путаницу. Профессионалы в своих беседах могут использовать его без опаски, но в этой книге я избегаю такого использования.

Великое открытие начала XX в. состоит в том, что законы физики, используемые для описания больших тел и воплощенные в ньютоновской механике и электродинамике Максвелла, не подходят для того, чтобы описать атомы и их ядра. Чтобы описать поведение материи на атомных и субатомных масштабах, оказалось необходимым не просто дополнить то, что было известно раньше, а сконструировать радикально иную систему взглядов, в которой многие идеи, которые считались давно устоявшимися, пришлось отбросить. Обобщающий термин квантовая теория , или квантовая механика , относится к этой новой платформе. Она была сформирована в общих чертах к концу 1930-х гг. С тех пор наши возможности справиться с математическими вызовами, которые бросает нам квантовая теория, несравнимо улучшились (см. Перенормировка), и мы пришли благодаря нашим Главным теориямк значительному детальному пониманию основных взаимодействий Природы. Но эти разработки имели место в рамках квантовой теории.

Многие физические теории могут быть сформулированы в виде достаточно конкретных предположений о физическом мире. Специальная теория относительности, например, является по сути результатом объединения двух предположений: предположения о галилеевой симметриии предположения об инвариантностискорости света. Каждая из наших Главных теорийна деле является предположением о наличии локальной симметрии – вместе со специфическими подробностями того, как связанные с ней преобразования симметриивоздействуют на пространство-время и материю.

Квантовая теория в ее современном понимании устроена иначе. Квантовая теория не является какой-то определенной гипотезой, а представляет собой сеть тесно связанных и переплетающихся идей. Я вовсе не хочу внушить вам, что квантовая теория определена нечетко – это не так. За редкими и, как правило, временными исключениями все сведущие ученые, занимающиеся квантовой механикой, столкнувшись с любой конкретной физической проблемой, придут к согласию о том, как следует подходить к этой проблеме, используя квантовую теорию. Но я сомневаюсь, что многие из них (а может, и вовсе никто) смогли бы точно сказать, какие предположения они сделали, чтобы к этому прийти.