Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

The Quantum World

The Disturbing Theory at the Heart of Reality

First published in the English language by Hodder & Stoughton Limited.

Печатается с разрешения издательства Hodder & Stoughton Limited.

© New Scientist, 2017

© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2020

Эта книга основана на докладах, прочитанных на мастер-классе «Квантовый мир» журнала New Scientist и статьях, ранее опубликованных в New Scientist вместе со специально подготовленными материалами.

Элисон Джордж – главный редактор, редактор серии книг Instant Expert журнала New Scientist.

Хьюго Кейбл – старший научный сотрудник Бристольского университета (Великобритания), где он занимается исследованием квантовых вычислений и квантовых датчиков. Он участвовал в написании параграфа «Шум – ключ к квантовым технологиям?» в главе 5.

Джонджо Макфадден – профессор молекулярной генетики Университета Суррея (Великобритания), один из пионеров молодой развивающейся области – квантовой биологии. Он написал параграф «Использовала ли жизнь мощь квантовой механики?» в главе 6.

Каван Моди – преподаватель Университета Монаша в Мельбурне (Австралия), чьи научные интересы сосредоточены на теории квантовой информации. Он участвовал в написании параграфа «Шум – ключ к квантовым технологиям?» в главе 5.

Дэвид Тонг – профессор теоретической физики Кембриджского университета (Великобритания), работающий над квантовой теорией поля и теорией гравитации. Он написал параграф «Вопрос квантовой гравитации» в главе 6.

Влатко Ведрал – профессор квантовой информатики Оксфордского университета (Великобритания) и Национального университета Сингапура. Он написал параграфы «Как был обнаружен квантовый мир» в главе 1 и по квантовым вычислениям в главе 4.

Также выражаем благодарность следующим авторам и редакторам:

Питер Элдхаус, Галаад Амит, Анил Анантасвами, Яков Арон, Стивен Беттерсби, Селеста Бивер, Майкл Брукс, Аманда Джефтер, Лиза Гроссман, Дуглас Хэвен, Роуэн Хупер, Валери Джемисон, Ричард Уэбб.

«Действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в экспериментах с атомами?»

Это вопрос, ответ на который физик Вернер Гейзенберг искал поздними вечерами со своим научным руководителем Нильсом Бором в течение 20-х годов XX века, когда они составляли свод правил для абсолютно нового понимания мира.

Квантовый мир, который они обнаружили, и правда странный: в нем частицы могут существовать в двух местах одновременно и быть непонятным образом связанными, как бы далеко они друг от друга ни находились. На уровне атомов, электронов и частиц света объекты, кажется, меняют свои свойства, когда на них смотрят. Но этого, безусловно, не может быть, как думал Гейзенберг.

Сегодня, спустя почти век интенсивных исследований, мы знаем ответ на вопрос Гейзенберга. В микроскопическом мире атомов, частиц и их составляющих наше обычное понимание реальности не работает: здесь действуют новые правила, открывающиеся с помощью экспериментальной проверки.

С путеводителем из серии Instant Expert журнала New Scientist мы отправимся в путешествие по этому таинственному миру и познакомимся с интересными личностями, благодаря которым он открыт. В их число входят Альберт Эйнштейн, ненавидевший идею «жуткого действия на расстоянии» в квантовой механике, и Эрвин Шрёдингер, придумавший свой знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы показать абсурдность этого странного места.

Что это все означает? Становятся ли вещи реальными только в те моменты, когда за ними наблюдают? Рождаются ли новые вселенные каждый раз, когда мы проводим измерения? И что это все значит для фундамента реальности?

Вместе с этими умопомрачительными вопросами квантовая механика также дала нам много практических технологий: лазеры, ядерные реакторы и транзисторы, лежащие в основе работы компьютеров и всех цифровых технологий. В будущем ожидается еще больше: компьютеры более мощные, чем собранные когда-либо прежде, полностью защищенную коммуникацию и даже квантовую телепортацию.

В этой книге также исследуется та роль, которую квантовая механика играет в биологии. Например, использовала ли эволюция преимущество квантовой таинственности в разработке биохимии жизни – начиная с навигационных систем птиц и заканчивая фотосинтезом в растениях?