Hugh Everett, é claro, tentou discutir sua teoria de "muitos mundos" com outros físicos, mas recebeu apenas surpresa ou indiferença em resposta. Um físico, Bryce DeWitt, da Universidade do Texas, chegou a se manifestar contra a teoria de Everett, dizendo: "Simplesmente não consigo me sentir dividido". Mas essa reação lembrou Everett da reação dos críticos de Galileu, que diziam não sentir o movimento da Terra. (Com o tempo, Devitt desertou para o lado de Everett e se tornou um dos principais defensores dessa teoria.)

Por várias décadas, a teoria dos muitos mundos definhou na obscuridade. Ela parecia fantástica demais para ser verdade. John Wheeler, consultor de Everett em Princeton, acabou concluindo que o conceito carregava "excesso de bagagem". Mas em algum momento, a teoria de Everett de repente se tornou moda e agora desfruta de um interesse sério no mundo da física. O fato é que os físicos estão atualmente tentando aplicar a teoria quântica à última área que até agora permaneceu "não quantizada": o próprio universo. E a tentativa de aplicar o princípio da incerteza a todo o Universo como um todo traz naturalmente à vida o conceito de Multiverso.

O conceito de "cosmologia quântica" à primeira vista parece terminologicamente contraditório: afinal, a teoria quântica trata do minúsculo mundo dos átomos, enquanto a cosmologia trata do Universo como um todo. Mas considere isto: na época do Big Bang, o universo era muito menor que um elétron. Qualquer físico concordará que o elétron deve ser considerado do ponto de vista da teoria quântica; isso significa que o elétron é descrito por uma equação de onda probabilística (a equação de Dirac) e pode existir em vários estados paralelos. Mas se o elétron deve ser quantizado, e o Universo já foi menor que o elétron, então o Universo também deve ser quantizado e existir em estados paralelos. Portanto, essa teoria naturalmente leva à ideia de uma pluralidade de mundos.

No entanto, a interpretação de Copenhague de Niels Bohr aplicada a todo o universo enfrenta sérias dificuldades. Em geral, a interpretação de Copenhague, embora ensinada em todo curso de pós-graduação em mecânica quântica, precisa de um "observador" cujas observações realmente causem o colapso da função de onda. Acontece que, para fixar o macromundo em um determinado estado, o processo de observação é absolutamente necessário. Mas como alguém pode estar “fora” do Universo e observar o Universo de fora? Se o Universo é descrito por uma certa função de onda, então como um observador “externo” pode determinar um estado específico do Universo e forçar essa função a entrar em colapso? Além disso, alguns cientistas consideram a impossibilidade de observar o universo "de fora" como uma falha crítica e até fatal da interpretação de Copenhague.

No conceito de "muitos mundos" este problema é resolvido de forma muito simples: o Universo simplesmente existe simultaneamente em muitos estados paralelos, que são determinados pela função de onda principal, conhecida como função de onda do Universo. De acordo com a cosmologia quântica, o Universo se originou como uma flutuação quântica do vácuo, ou seja, como uma pequena bolha de espuma do espaço-tempo. A maioria dos universos de espuma do espaço-tempo recém-nascidos experimentam um big bang e, imediatamente, um big crunch. Isso significa que mesmo no "vazio" a atividade incessante ferve, universos minúsculos aparecem e desaparecem imediatamente, mas a escala desses eventos é muito pequena para nossos instrumentos grosseiros. Um dia, por algum motivo, uma das bolhas de espuma do espaço-tempo não entrou em colapso e desapareceu em seu próprio Big Squeeze, mas continuou a se expandir. Este era o nosso universo. Se você ouvir Alan Gut, descobrirá que todo o nosso universo é um grande brinde.

Na cosmologia quântica, os físicos começam com um análogo da equação de Schrödinger, que descreve as funções de onda de elétrons e átomos. Eles também usam a equação DeWitt-Wheeler, que atua na "função de onda do universo". Normalmente, a função de onda de Schrödinger é definida em cada ponto no espaço e no tempo, para que possamos calcular a probabilidade de encontrar um elétron em qualquer ponto do espaço e do tempo. Mas a "função de onda do Universo" é definida no conjunto de todos os universos possíveis. Se essa função de onda para um universo específico for grande, isso significará que o universo dado está nesse estado com alta probabilidade.

Hawking apoia exatamente esse ponto de vista. Ele argumenta que nosso universo é especial, é único e diferente de todos os outros universos. Se a função de onda do nosso universo é grande, então para a maior parte do resto é quase zero. Acontece que existe uma probabilidade diferente de zero, mas muito pequena, de que outros universos além do nosso possam existir no Multiverso, mas nosso Universo existe com uma probabilidade máxima. Em geral, Hawking está tentando fundamentar logicamente o fenômeno da inflação dessa maneira. Nesta imagem do mundo, um universo no qual o processo de inflação começa é simplesmente mais provável do que um universo onde nada do tipo ocorre, então em nosso Universo esse processo ocorreu.

A teoria sobre a origem do nosso universo a partir do "vazio" da espuma do espaço-tempo à primeira vista parece completamente inverificável; no entanto, concorda com algumas observações simples. Primeiro, muitos físicos apontaram para o fato surpreendente de que a soma da carga elétrica positiva e negativa em nosso universo é zero - pelo menos dentro do erro experimental. Parece natural para nós que a gravidade seja a força dominante no espaço, mas isso ocorre apenas porque as cargas negativas e positivas se cancelam exatamente. Se houvesse o menor desequilíbrio entre cargas positivas e negativas na Terra, as forças elétricas possivelmente superariam as forças de atração gravitacional que unem a Terra e simplesmente destroem nosso planeta. O equilíbrio exato entre o total de cargas positivas e negativas pode ser facilmente explicado, em particular, pelo fato de o Universo ter surgido do "nada", e o "nada" ter uma carga elétrica zero.

Em segundo lugar, nosso Universo tem rotação zero. Kurt Gödel tentou por muitos anos provar que nosso universo está girando analisando e somando os giros de várias galáxias, mas hoje os astrônomos estão convencidos de que o giro total do nosso universo é zero. Novamente, este fato pode ser facilmente explicado pelo fato de que o Universo surgiu do "nada", e "nada" tem rotação zero. Em terceiro lugar, o surgimento do Universo do nada ajudaria a explicar por que o conteúdo total de matéria energética nele é tão pequeno, e talvez até igual a zero. Se você somar a energia positiva da matéria e a energia negativa associada à gravidade, então, aparentemente, elas se cancelam exatamente. De acordo com a teoria geral da relatividade, se o Universo é fechado e finito, então a quantidade total de matéria-energia nele deve ser exatamente zero. (Se o universo é aberto e infinito, isso não é necessariamente verdade, mas a teoria inflacionária ainda indica que a quantidade total de matéria-energia em nosso universo é extremamente pequena.)

Tudo isso deixa em aberto uma questão interessante. Se os físicos não podem descartar a possibilidade da existência de vários tipos de universos paralelos, então é possível fazer contato com eles? Visitá-los? Ou talvez criaturas de outros universos já estiveram em nosso mundo?

O contato com outros universos quânticos que estão fora de sincronia com o nosso parece altamente improvável. A razão pela qual nosso universo perdeu a sincronia com outros universos é que nossos átomos estão constantemente colidindo com outros átomos do mundo circundante. Cada vez que a função de onda do átomo colide, ela encolhe ligeiramente; o que significa que o número de universos paralelos está diminuindo. Cada colisão reduz o número de opções possíveis. Trilhões de tais “mini-colapsos” atômicos criam a ilusão de que todos os átomos em nosso corpo entraram em colapso e congelaram completamente em um determinado estado. A "realidade objetiva" de Einstein é apenas uma ilusão devido ao fato de que o grande número de átomos em nosso corpo estão constantemente colidindo uns com os outros; e com cada colisão, o número de universos possíveis diminui.

Esta situação pode ser comparada a uma imagem desfocada em uma lente de câmera. Da mesma forma, no microcosmo tudo parece mutável e incerto. Mas assim que você corrige levemente o foco da câmera, novos detalhes aparecem na imagem; com cada ajuste, a imagem como um todo fica cada vez mais nítida. Assim, trilhões de pequenas colisões de átomos com átomos vizinhos, repetidas vezes, reduzem o número de universos possíveis. Assim, estamos passando suavemente de um microcosmo mutável para um macrocosmo estável.

Portanto, a probabilidade de interação com outro, semelhante ao nosso, universo quântico, se não for igual a zero, cai rapidamente junto com o aumento do número de átomos em seu corpo. Mas existem trilhões e trilhões de átomos em cada um de nós, então a chance de estabelecer uma conexão com outro universo habitado por dinossauros ou alienígenas é infinitesimal. Pode-se calcular que levará muito mais tempo para esperar por tal evento do que o Universo existirá.

Portanto, não podemos excluir completamente o contato com universos quânticos paralelos, mas é óbvio que esse evento será extremamente raro – afinal, nosso Universo perdeu a coerência com eles. Mas na cosmologia, também encontramos outro tipo de universo paralelo: o Multiverso, que consiste em universos coexistindo entre si como bolhas de sabão em um banho de espuma. O contato com outro universo dentro do Multiverso é uma história completamente diferente. Este é certamente um problema difícil, mas é possível que a civilização consiga resolvê-lo.

Como já discutimos, para abrir um buraco no espaço ou aumentar a espuma do espaço-tempo, é necessária uma energia comparável em ordem de grandeza à energia de Planck, na qual todas as leis físicas conhecidas desmoronam em geral. O espaço e o tempo nesta energia são instáveis, o que abre a possibilidade de deixarmos nosso Universo (assumindo, é claro, que existam outros universos e não morreremos no processo de transição).

Esta questão, em geral, não pode ser chamada de puramente acadêmica, porque algum dia a vida inteligente no Universo enfrentará inevitavelmente o problema da morte do Universo. No final, a teoria do Multiverso pode acabar salvando toda a vida inteligente em nosso Universo. Dados recebidos recentemente do satélite WMAP confirmam o fato de que o Universo está se expandindo com aceleração, e é possível que algum dia todos nós ser ameaçado de morte na forma do chamado Great Frost. Com o tempo, todo o universo ficará preto; todas as estrelas do céu se apagarão e apenas estrelas mortas, estrelas de nêutrons e buracos negros permanecerão no universo. Até mesmo os átomos de nossos corpos podem começar a decair. As temperaturas cairão para perto do zero absoluto e a vida se tornará impossível.

À medida que o universo se aproxima desse ponto, uma civilização avançada, enfrentando a morte final de seu mundo, pode muito bem pensar em se mudar para outro universo. Essas criaturas terão pouca escolha - congelar até a morte ou deixar este mundo. As leis da física serão uma sentença de morte para qualquer vida inteligente - mas essas mesmas leis também podem fornecer aos seres inteligentes uma brecha estreita.

Tal civilização terá que aproveitar a energia de aceleradores gigantes e feixes de laser, com potência igual a todo o sistema solar ou mesmo um aglomerado de estrelas, e concentrá-la em um único ponto para receber a lendária energia de Planck. Talvez isso seja suficiente para abrir um buraco de minhoca ou um caminho para outro universo. É possível que a civilização use a energia colossal sujeita a ela para criar um buraco de minhoca e atravessá-lo para outro universo, deixando seu próprio universo morrer e iniciando uma nova vida em uma nova casa.

Dependendo do ponto de vista, a teoria quântica é um testemunho dos vastos avanços da ciência ou um símbolo das limitações da intuição humana, que é forçada a lidar com a estranheza do reino subatômico. Para um físico, a mecânica quântica é um dos três grandes pilares em que se baseia a compreensão da natureza (junto com as teorias da relatividade geral e especial de Einstein). Para aqueles que sempre quiseram entender pelo menos algo no modelo fundamental da estrutura do mundo, os cientistas Brian Cox e Jeff Forshaw explicam em seu livro "The Quantum Universe", publicado pelo MIF. T&P publicam uma breve passagem sobre a essência do quantum e as origens da teoria.

As teorias de Einstein tratam da natureza do espaço e do tempo e da força da gravidade. A mecânica quântica cuida de todo o resto, e pode-se dizer que não importa quão emocionalmente atraente, confuso ou fascinante, é apenas uma teoria física que descreve como a natureza realmente se comporta. Mas mesmo se medido por esse critério muito pragmático, é impressionante em sua precisão e poder explicativo. Existe um experimento no campo da eletrodinâmica quântica, o mais antigo e melhor compreendido das teorias quânticas modernas. Ele mede como um elétron se comporta perto de um ímã. Os físicos teóricos trabalharam arduamente durante anos com caneta e papel, e mais tarde com computadores, para prever exatamente o que esses estudos revelariam. Os praticantes inventaram e montaram experimentos para descobrir mais detalhes da natureza. Ambos os campos, independentemente um do outro, deram resultados com uma precisão semelhante à medição da distância entre Manchester e Nova York com um erro de alguns centímetros. Vale ressaltar que os números obtidos pelos experimentadores corresponderam integralmente aos resultados dos cálculos dos teóricos; medições e cálculos estavam em total concordância.

A teoria quântica é talvez o melhor exemplo de como o infinitamente difícil para a maioria das pessoas entender se torna extremamente útil. É difícil de entender porque descreve um mundo em que uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover de um lugar para outro, explorando assim todo o Universo. É útil porque entender o comportamento dos menores blocos de construção do universo fortalece a compreensão de todo o resto. Coloca um limite à nossa arrogância, porque o mundo é muito mais complexo e diverso do que parecia. Apesar de toda essa complexidade, descobrimos que tudo é composto de muitas partículas minúsculas que se movem de acordo com as leis da teoria quântica. Essas leis são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope. E o fato de não ser necessária uma biblioteca inteira para explicar a natureza profunda das coisas é em si um dos maiores mistérios do mundo.

Imagine o mundo ao nosso redor. Digamos que você esteja segurando um livro feito de papel - polpa de madeira moída. As árvores são máquinas capazes de pegar átomos e moléculas, decompô-los e reorganizá-los em colônias de bilhões de pedaços individuais. Eles fazem isso graças a uma molécula conhecida como clorofila, que é composta por mais de cem átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio que são curvados de maneira especial e ligados a mais alguns átomos de magnésio e hidrogênio. Essa combinação de partículas é capaz de capturar a luz que voou a 150 milhões de quilômetros de nossa estrela - uma câmara nuclear com volume de um milhão de planetas como a Terra - e transportar essa energia para dentro das células, onde cria novas moléculas a partir do dióxido de carbono e água e libera dando nossa vida é oxigênio.

São essas cadeias moleculares que formam a superestrutura que mantém unidas as árvores, o papel deste livro e toda a vida. Você é capaz de ler um livro e entender as palavras porque tem olhos que podem transformar a luz dispersa das páginas em impulsos elétricos que podem ser interpretados pelo cérebro, a estrutura mais complexa do universo que conhecemos. Descobrimos que todas as coisas no mundo nada mais são do que uma coleção de átomos, e a maior variedade de átomos consiste em apenas três partículas - elétrons, prótons e nêutrons. Também sabemos que os próprios prótons e nêutrons são compostos de entidades menores chamadas quarks, e são o fim de tudo - pelo menos é o que pensamos agora. Tudo isso é baseado na teoria quântica.

Assim, a física moderna desenha com excepcional simplicidade o universo em que vivemos; fenômenos elegantes ocorrem em algum lugar onde não podem ser vistos, dando origem à diversidade do macrocosmo. Talvez esta seja a conquista mais notável da ciência moderna - a redução da incrível complexidade do mundo, incluindo os próprios humanos, a uma descrição do comportamento de um punhado de minúsculas partículas subatômicas e quatro forças agindo entre elas. As melhores descrições de três dessas quatro forças - as forças nucleares fortes e fracas que existem dentro do núcleo atômico e a força eletromagnética que mantém os átomos e as moléculas juntos - são fornecidas pela teoria quântica. Apenas a força da gravidade - a mais fraca, mas talvez a mais familiar de todas - não possui atualmente uma descrição quântica satisfatória.

Temos que admitir que a teoria quântica tem uma reputação um tanto estranha, e muito absurdo real é coberto por seu nome. Os gatos podem estar vivos e mortos ao mesmo tempo; partículas estão em dois lugares ao mesmo tempo; Heisenberg diz que tudo é incerto. Tudo isso é de fato verdade, mas as conclusões que muitas vezes se seguem disso - uma vez que algo estranho acontece no microcosmo, então estamos envoltos em uma névoa de neblina - estão definitivamente erradas. Percepção extra-sensorial, curas místicas, pulseiras vibrantes que protegem contra a radiação e quem sabe o que mais se infiltra regularmente no panteão do possível sob o disfarce da palavra "quântica". Esse absurdo é causado pela incapacidade de pensar com clareza, auto-engano, mal-entendido genuíno ou fingido, ou alguma combinação particularmente infeliz de todos os itens acima. A teoria quântica descreve com precisão o mundo com leis matemáticas tão específicas quanto as usadas por Newton ou Galileu. É por isso que podemos calcular o campo magnético de um elétron com incrível precisão. A teoria quântica oferece uma descrição da natureza que, como aprenderemos, tem um tremendo poder preditivo e explicativo e se estende a tudo, desde chips de silício a estrelas.

Como muitas vezes acontece, o surgimento da teoria quântica provocou a descoberta de fenômenos naturais que não podiam ser descritos pelos paradigmas científicos da época. Para a teoria quântica, houve muitas dessas descobertas, além disso, de natureza diversa. Uma série de resultados inexplicáveis ​​gerou excitação e confusão e, eventualmente, desencadeou um período de inovação experimental e teórica que realmente merece o termo popular "idade de ouro". Os nomes dos personagens principais estão para sempre enraizados na mente de qualquer estudante de física e são mencionados com mais frequência do que outros em cursos universitários até hoje: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Talvez nunca mais haja um período na história em que tantos nomes sejam associados à grandeza da ciência enquanto caminham em direção a um único objetivo - a criação de uma nova teoria de átomos e forças que governam o mundo físico. Em 1924, olhando para as décadas anteriores da teoria quântica, Ernest Rutherford, o físico neozelandês que descobriu o núcleo atômico, escreveu: “1896... Nunca antes na história da física houve um período de atividade tão febril, durante o qual algumas descobertas fundamentalmente significativas foram substituídas por outras a uma velocidade vertiginosa.

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O termo "quântico" apareceu na física em 1900 graças ao trabalho de Max Planck. Ele tentou descrever teoricamente a radiação emitida por corpos aquecidos - a chamada "radiação de um corpo completamente negro". A propósito, o cientista foi contratado para esse fim por uma empresa de iluminação elétrica: é assim que as portas do universo às vezes se abrem pelos motivos mais prosaicos. Planck descobriu que as propriedades da radiação do corpo negro só podem ser explicadas assumindo que a luz é emitida em pequenas porções de energia, que ele chamou de quanta. A própria palavra significa "pacotes", ou "discreto". Inicialmente, ele pensou que era apenas um truque matemático, mas o trabalho de Albert Einstein em 1905 sobre o efeito fotoelétrico apoiou a hipótese quântica. Os resultados foram convincentes porque pequenas quantidades de energia podem ser sinônimo de partículas.

A ideia de que a luz é composta por um fluxo de pequenas balas tem uma longa e ilustre história, que remonta a Isaac Newton e ao nascimento da física moderna. No entanto, em 1864, o físico escocês James Clark Maxwell pareceu finalmente dissipar todas as dúvidas existentes em uma série de trabalhos que Albert Einstein mais tarde descreveu como "os mais profundos e frutíferos que a física conheceu desde Newton". Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética que se propaga no espaço, então a ideia da luz como onda teve uma origem irrepreensível e aparentemente inegável. No entanto, em uma série de experimentos que Arthur Compton e seus colegas conduziram na Universidade de Washington em St. Louis, eles conseguiram separar os quanta de luz dos elétrons. Ambos se comportavam mais como bolas de bilhar, o que confirmava claramente que as suposições teóricas de Planck tinham uma base sólida no mundo real. Em 1926, os quanta de luz eram chamados de fótons. A evidência era irrefutável: a luz se comporta tanto como onda quanto como partícula. Isso significou o fim da física clássica - e o fim do período formativo da teoria quântica.

Já aos três anos, Michael Talbot surpreendeu seus pais. Ele falou longamente e se recusou a chamar o sr. e a sra. Talbot de papai e mamãe. O garoto maravilhoso não preferia sucos; refrigerante ou leite e... chá preto forte. Sentou-se no chão em posição de lótus e bebeu chá de uma tigela.

Michael "se envolveu" em clarividência, viajou para fora do corpo, se comunicou com alienígenas. Ele lembrou: “Enquanto estudava na faculdade, um dia eu estava dirigindo um carro e vi um disco voador. Parei, saí para a estrada e olhei para a nave alienígena por cerca de cinco minutos. Então eu continuei. Normalmente, o caminho do local onde vi o OVNI até a casa levava meia hora. Imagine como fiquei surpreso quando minha família me atacou: “Onde você foi?!”. Acontece que quase um dia inteiro se passou!

Na esperança de encontrar uma explicação racional para os fenômenos paranormais que o assombravam, ele se voltou para a ciência. Michael procurou respostas de uma maneira incomum: “Em vez de bom senso, usei habilidades intuitivas mais profundas. Eu vaguei sem rumo pelas prateleiras da biblioteca à primeira vista. Eu estava esperando o livro certo para me “ligar”. E eu realmente senti vontade de parar. Minha mão subiu, pegou um livro da estante e o abriu em algum lugar no meio. Foi só depois disso que olhei para o título — era o arquivo da revista Physics Today, edição de setembro de 1970, com o artigo do físico Bruce de Witt "Mecânica Quântica e Realidade".

A conhecida tese foi comprovada no artigo: o mundo ao nosso redor é nosso materializado, vemos apenas o que pensamos, o que queremos ver. De Witt escreveu que a física quântica havia descoberto a dependência da realidade da mente humana. A publicação surpreendeu Talbot, e ele se tornou um verdadeiro fã da física quântica, que estuda partículas subatômicas - quanta. Esses mesmos quanta se comunicam de uma maneira incrível, como gêmeos que se sentem a uma grande distância, a informação é transmitida de quantum para quantum instantaneamente! Quando o fenômeno foi confirmado, os físicos quase derrubaram seu ídolo, Einstein, do pedestal, porque, de acordo com a teoria da relatividade, não há nada no mundo que possa se mover mais rápido que a velocidade da luz, mas “instantaneamente” significa apenas “mais rápido”. que a velocidade da luz”!

A contradição foi resolvida pelo físico David Bohm. Ele provou que os quanta não transmitem informação através do tempo e do espaço, eles simplesmente vivem em uma dimensão onde a informação existe em todos os lugares e simultaneamente, ou seja, a informação não é local, mas, ao contrário, é total, abrangente. Bohm fez a sensacional sugestão de que o comportamento dos quanta está de alguma forma misteriosamente relacionado com... o pensamento dos cientistas e daqueles que os observam. Os quanta se comportam de forma ordenada, “decente” no momento em que estão sendo observados, mas assim que o pesquisador se distrai por um minuto, o caos primordial retorna ao mundo das partículas subatômicas! Ver os quanta reais, de acordo com David Bohm, é tão impossível quanto ver o verdadeiro eu no espelho. Afinal, ao se aproximar do espelho, uma pessoa subconscientemente se prepara para encontrar seu reflexo e, como resultado, é refletida da maneira que espera ver a si mesma.

Mas como os quanta conseguem prever os experimentadores? A isso, Bohm responde da seguinte forma: os cérebros dos cientistas e de todas as outras pessoas (assim como tudo no Universo em geral) também consistem em partículas subatômicas. Os quants vivem no mundo da informação total, então aqueles que estão sendo observados não custa nada descobrir o que os quants querem deles, que compõem o cérebro do observador :)

As partículas subatômicas deram aos físicos outra surpresa. Descobriu-se que quando agrupados em grande número, eles deixam de se comportar como indivíduos e demonstram uma verdadeira consciência coletiva.

Bohm chegou à conclusão de que a mesma informação está codificada em cada quantum, e é suficiente para reproduzir todo o Universo! Em outras palavras, o Universo como um todo está contido em uma forma dobrada dentro de cada uma de suas partes microscopicamente pequenas (incluindo o DNA de cada pessoa). Algo semelhante foi dito pelo Buda e expresso em forma lírica pelo poeta romântico do século XVIII William Blake:

Em um momento - para ver a eternidade,

O vasto mundo está em um grão de areia,

Em um único punhado - infinito

E o céu está em uma xícara de uma flor ..

A teoria quântica descreve um universo no qual uma partícula pode estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover instantaneamente de um lugar para outro. Esse conceito põe um limite à nossa arrogância, pois o mundo é muito mais complexo e diverso do que parecia. No entanto, as leis da teoria quântica são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope.

Como funciona a compressão de áudio

A decomposição de uma onda em suas ondas senoidais constituintes é a base da tecnologia de compressão de áudio. Imagine ondas sonoras formando sua música favorita. Essa onda complexa pode ser dividida em seus componentes. A reprodução absolutamente precisa do som original requer muitas ondas senoidais individuais, mas muitas delas podem ser descartadas, o que não afetará a percepção da qualidade da gravação de áudio.

Átomos "vazios"

De dentro, o átomo é algo estranho. Se você ficar em um próton e olhar de lá para o espaço intra-atômico, verá apenas o vazio. Os elétrons serão pequenos demais para serem vistos, mesmo que estejam à distância de um braço, mas também é improvável que isso aconteça. Se você estiver "no próton" na costa da Inglaterra, os limites vagos do átomo estarão localizados em algum lugar nas fazendas do norte da França.

Um universo do tamanho de uma toranja

Um bom bônus de trabalhar com fragmentos elementares de matéria que não têm tamanho é que podemos facilmente imaginar que todo o Universo visível já foi comprimido em um objeto do tamanho de uma toranja ou mesmo de uma cabeça de alfinete. Por mais tontos que tais pensamentos possam ser, não há razão para declarar tal compressão impossível.

Salto quântico

Imagine que colocamos o elétron 1 no átomo 1 e o elétron 2 no átomo 2. Depois de um tempo, a afirmação "elétron 1 ainda está no átomo 1" não fará sentido. Também pode estar no átomo 2, porque sempre existe a possibilidade de o elétron ter dado um salto quântico. Tudo o que pode acontecer acontece, e os elétrons podem muito bem voar ao redor de todo o universo em um instante.

Bósons de Higgs

Peter Higgs sugeriu que o espaço vazio está cheio de partículas. Eles constantemente, sem descanso, interagem com todas as partículas massivas do Universo, retardando seletivamente seu movimento e criando massa. O resultado das interações entre a matéria comum e um vácuo preenchido com partículas de Higgs é que o mundo a partir do informe se torna diverso, habitado por estrelas, galáxias e pessoas.

Dois físicos ingleses, um dos quais estuda partículas elementares (Brian Cox), e o outro é professor do Departamento de Física Teórica da Universidade de Manchester (Jeff Forshaw), nos apresentam o modelo fundamental do mundo.

Usando linguagem acessível, inúmeros desenhos e boas analogias, os autores conseguiram explicar os conceitos da física quântica que são difíceis de entender.

Brian Cox, Jeff Forshaw:

O objetivo deste livro é desmistificar a teoria quântica, uma construção teórica que confundiu muitos, inclusive os pioneiros da indústria. Pretendemos usar uma perspectiva moderna, usando as lições aprendidas ao longo dos séculos de retrospectiva e desenvolvimento teórico. No entanto, no início da jornada, seremos transportados para o início do século XX e exploraremos alguns dos problemas que forçaram os físicos a se desviarem radicalmente do que antes era considerado o mainstream da ciência.

1. Algo estranho está chegando

A teoria quântica é talvez o melhor exemplo de como o infinitamente difícil de entender pela maioria das pessoas se torna extremamente útil. É difícil de entender porque descreve um mundo em que uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover de um lugar para outro, explorando assim todo o Universo. Descobrimos que tudo é composto de muitas partículas minúsculas que se movem de acordo com as leis da teoria quântica. Essas leis são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope. E o fato de não ser necessária uma biblioteca inteira para explicar a natureza profunda das coisas é em si um dos maiores mistérios do mundo.

2. Em dois lugares ao mesmo tempo

As previsões mais incomuns da teoria quântica geralmente aparecem no comportamento de pequenos objetos. Mas como objetos grandes são compostos de pequenos, sob certas circunstâncias a física quântica é necessária para explicar as propriedades de um dos maiores objetos do universo, as estrelas.

3. O que é uma partícula?

Tendo estabelecido que a descrição do elétron imita o comportamento das ondas em muitos aspectos, devemos desenvolver conceitos mais precisos das próprias ondas. Vamos começar descrevendo o que acontece em um tanque de água quando duas ondas se encontram, se misturam e interferem uma na outra. Vamos representar os altos das ondas como relógios com ponteiro de 12 horas e os baixos como relógios com ponteiro de 6 horas. Também podemos exibir posições de onda intermediárias entre o mínimo e o máximo desenhando relógios com tempos intermediários, como no caso de fases entre a lua nova e a lua cheia.

4. Tudo o que pode acontecer realmente acontece

Princípio da incerteza de Heisenberg

Em seu trabalho original, Heisenberg foi capaz de apreciar a relação entre a precisão de medir a posição e o momento de uma partícula. O Princípio da Incerteza de Heisenberg é uma das partes mais incompreendidas da teoria quântica, o caminho pelo qual todos os tipos de charlatães e fornecedores de absurdos empurram seus absurdos filosóficos.

Derivação do Princípio da Incerteza de Heisenberg da Teoria das Faces do Relógio

Três mostradores, mostrando a mesma hora e localizados na mesma linha, descrevem a partícula, que no momento inicial está em algum lugar na área desses mostradores. Estamos interessados ​​em quais são as chances de encontrar uma partícula no ponto X em algum momento subsequente.

Uma Breve História da Constante de Planck

Planck destruiu as primeiras pedras na fundação do conceito de luz de Maxwell, mostrando que a energia da luz emitida por um corpo aquecido só pode ser descrita se for emitida em quanta.

De volta ao Princípio da Incerteza de Heisenberg

A teoria da mecânica quântica que desenvolvemos sugere que, se você colocar um grão de areia em algum ponto, ele pode acabar em qualquer outro lugar do universo. Mas é óbvio que isso não acontece com grãos de areia reais. A primeira pergunta a ser respondida é: quantas vezes os ponteiros do relógio irão girar se movermos uma partícula com a massa de um grão de areia a uma distância de, digamos, 0,001 mm em um segundo?

5. Movimento como ilusão

Tendo definido o grupo inicial com a ajuda de relógios que mostram diferentes e não a mesma hora, chegamos à descrição de uma partícula em movimento. Curiosamente, podemos fazer uma conexão muito importante entre os relógios deslocados e o comportamento das ondas.

Pacotes de ondas

Uma partícula com um momento bem conhecido é descrita por um grande grupo de mostradores. Mais precisamente, uma partícula com momento exatamente conhecido será descrita por um grupo de relógios infinitamente longo, o que significa um pacote de ondas infinitamente longo.

6. Música de átomos

Agora podemos aplicar nosso conhecimento acumulado para resolver a questão que desconcertou Rutherford, Bohr e outros cientistas nas primeiras décadas do século 20: o que exatamente acontece dentro do átomo? …Aqui vamos tentar pela primeira vez com a ajuda de nossa teoria explicar os fenômenos do mundo real.

caixa atômica

Parece que chegamos a uma visão correta dos átomos. Mas ainda assim, algo não está certo. Falta a última peça do quebra-cabeça, sem a qual é impossível explicar a estrutura dos átomos mais pesados ​​que o hidrogênio. Mais prosaicamente, também deixamos de explicar por que não caímos no chão, o que cria problemas para nossa maravilhosa teoria da natureza.

7. O universo em uma cabeça de alfinete (e por que não caímos no chão)

A matéria só pode ser estável se os elétrons obedecerem ao chamado princípio de Pauli, um dos fenômenos mais surpreendentes do nosso universo quântico.

8. Interdependência

Até agora, prestamos muita atenção à física quântica de partículas e átomos isolados. No entanto, nossa experiência física está ligada à percepção de muitos átomos agrupados e, portanto, é hora de começar a entender o que acontece quando os átomos se agrupam.

9. Mundo moderno

O transistor é a invenção mais importante dos últimos 100 anos: o mundo moderno é construído e moldado pela tecnologia de semicondutores.

10. Interação

Vamos começar com a formulação das leis da primeira teoria quântica de campos abertos - eletrodinâmica quântica, abreviada como QED. As origens dessa teoria remontam à década de 1920, quando Dirac foi particularmente bem-sucedido em colocar a teoria eletromagnética de Maxwell em uma base quântica.

O problema da medição na teoria quântica

Podemos seguir em frente acreditando que o mundo mudou irreversivelmente como resultado da medição, mesmo que nada do tipo tenha realmente acontecido. Mas tudo isso não é tão importante quando se trata da tarefa séria de calcular a probabilidade de que algo aconteça ao montar um experimento.

antimatéria

Os elétrons que se movem para trás no tempo parecem "elétrons com carga positiva". Tais partículas existem e são chamadas de "pósitrons".

11. O espaço vazio não é tão vazio.

O vácuo é um lugar muito interessante, cheio de possibilidades e obstáculos no caminho das partículas.

Modelo Padrão de Física de Partículas

O Modelo Padrão contém uma cura para a doença de alta probabilidade, e essa cura é conhecida como mecanismo de Higgs. Se for verdade, então o Grande Colisor de Hádrons deve detectar outra partícula natural, o bóson de Higgs, após o qual nossas opiniões sobre o conteúdo do espaço vazio devem mudar drasticamente.

origem da massa

A questão da origem da massa é especialmente notável porque a resposta a ela é valiosa além do nosso desejo óbvio de saber o que é a massa. Vamos tentar explicar com mais detalhes essa frase bastante misteriosa e estranhamente construída.

Epílogo: A Morte das Estrelas

À medida que morrem, muitas estrelas acabam como bolas superdensas de matéria nuclear entrelaçadas com muitos elétrons. São as chamadas anãs brancas. Este será o destino do nosso Sol quando ficar sem combustível nuclear em cerca de 5 bilhões de anos.

Para mais leitura

Utilizamos muitos outros trabalhos na preparação deste livro, e alguns deles merecem menção e recomendação especiais.

Cox B., Forshaw D. O universo quântico.
Como é que não podemos ver. M.: MIF. 2016.