Именно физика объясняет, как все устроено. Это лучшее из имеющихся у нас описаний природы частиц, составляющих материю, и сил, с которыми они взаимодействуют.
Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы. Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже просто как Солнце продолжает гореть, вам нужно использовать квантовую физику.
Сложность — а для физиков и веселье — начинается здесь. Начнем с того, что не существует единой квантовой теории. Есть квантовая механика, базовая математическая структура, которая была разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими. Она характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы частиц с течением времени.
Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики — главным образом, специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро — чтобы создать то, что известно как квантовые теории поля.
Три разные квантовые теории поля имеют дело с тремя из четырех фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы удерживаются вместе; сильное ядерное взаимодействие, объясняющее стабильность ядра в сердцевине атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.
За последние годы эти три теории объединились в одну ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц. При первом впечатлении, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, но это наиболее точно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Ее венец пришелся на 2012 год, когда открыли бозон Хиггса, частицы, которая дает массу всем другим фундаментальным частицам, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964 году.
Традиционные квантовые теории поля хорошо подходят для описания результатов экспериментов на ускорителях частиц высокой энергии, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, который исследует материю в ее мельчайших масштабах. Но если вы хотите понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях — как электроны движутся или не движутся через твердый материал и, таким образом, превращают материал в металл, изолятор или полупроводник, — все становится еще сложнее.
Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этих переполненных средах требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают некоторые детали. Трудность построения таких теорий заключается в том, что многие важные вопросы в физике твердого тела остаются нерешенными. Например, почему при низких температурах некоторые материалы являются сверхпроводниками и пропускают ток без электрического сопротивления, и почему мы не можем заставить этот трюк работать при комнатной температуре.
Но за всеми этими практическими проблемами лежит огромная квантовая тайна. На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи, которые полностью расходятся с тем, как все работает в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, находящиеся в одном месте; либо они могут действовать как волны, распространяясь по всему пространству или сразу в нескольких местах. То, как они выглядят, по-видимому, зависит от того, как мы решили их измерить, и до того, как мы их измерим, кажется, что они вообще не обладают определенными свойствами, что приводит к фундаментальной загадке о природе базовой реальности.
Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кот Шредингера, в котором благодаря неопределенному квантовому процессу кот остается мертвым и живым одновременно. Но это еще не все. Квантовые частицы также, способны мгновенно воздействовать друг на друга, даже если они находятся совсем не рядом. Это поистине сбивающее с толку явление известно как запутанность или, по выражению Эйнштейна, «призрачное действие на расстоянии». Такие квантовые возможности совершенно чужды нам, но они лежат в основе новых технологий, таких как сверхбезопасная квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.
Но что все это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто признать, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем согласовать с нашим опытом в более широком, «классическом» мире. Другие думают, что должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам еще предстоит открыть.
Начнем с того, что существует четвертая фундаментальная сила природы, которую квантовая теория пока не может объяснить. Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна, строго неквантовой теории, в которой частицы даже не участвуют. Напряженные десятилетия, направленные на то, чтобы поместить гравитацию под квантовый зонтик и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего», ни к чему не привели.
В то же время космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, материалов, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели, и загадок, таких как степень роли квантовой физики в беспорядочной работе космоса остаются необъяснимыми. Мир на каком-то уровне квантовый, но вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым.
