Teoria cuantică a structurii universului. Jeff Forshaw - Universul cuantic. Cum funcționează lucrurile pe care nu le vedem. Un univers de mărimea unui grapefruit

Teoria cuantică descrie un Univers în care o particulă poate fi în mai multe locuri în același timp și se mișcă instantaneu dintr-un loc în altul. Acest concept pune o limită aroganței noastre, pentru că lumea este mult mai complexă și mai diversă decât părea. Cu toate acestea, legile teoriei cuantice sunt atât de simple încât pot fi scrise în ele partea din spate plic.

Cum funcționează compresia audio

Descompunerea unei unde în undele sinusoide componente este baza tehnologiei de compresie audio. Imaginează-ți undele sonore formând melodia ta preferată. Acest val complex poate fi descompus în componentele sale. Reproducerea absolut exactă a sunetului original necesită multe unde sinusoidale individuale, dar multe dintre ele pot fi eliminate fără a afecta deloc calitatea percepută a înregistrării audio.

Atomi „goali”.

Din interior, un atom este ceva ciudat. Dacă stai pe un proton și privești de acolo în spațiul intra-atomic, vei vedea doar gol. Electronii vor fi prea mici pentru a fi văzuți chiar dacă sunt la distanță de braț, dar acest lucru este puțin probabil să se întâmple. Dacă stai „pe un proton” în largul coastei Angliei, limitele neclare ale atomului vor fi situate undeva în fermele din nordul Franței.

Un univers de mărimea unui grapefruit

Bonusul frumos al lucrului cu fragmente elementare de materie care nu au dimensiune este că ne putem imagina cu ușurință că întregul Univers vizibil a fost odată comprimat într-un obiect de mărimea unui grapefruit sau chiar a unui cap de ac. Oricât de amețitoare ar fi astfel de gânduri, nu există niciun motiv pentru a declara imposibilă o astfel de compresie.

Saltul cuantic

Imaginați-vă că punem electronul 1 în atomul 1 și electronul 2 în atomul 2. După un timp, afirmația „electronul 1 este încă în atomul 1” nu va mai avea sens. Poate fi și în atomul 2, deoarece există întotdeauna posibilitatea ca electronul să fi făcut un salt cuantic. Tot ceea ce se poate întâmpla se întâmplă de fapt, iar electronii pot zbura cu ușurință în jurul întregului Univers într-o clipă.

bosonii Higgs

Peter Higgs a sugerat că spațiul gol este plin de anumite particule. Ei în mod constant, fără odihnă, interacționează cu toate particulele masive din Univers, încetinind selectiv mișcarea lor și creând masă. Rezultatul interacțiunilor dintre materia obișnuită și vidul umplut cu particule Higgs este că lumea trece de la fără formă la diversă, populată de stele, galaxii și oameni.

Brian Cox, Jeff Forshaw

Universul cuantic. Cum funcționează lucrurile pe care nu le putem vedea

Editorii științifici Vyacheslav Maracha și Mihail Pavlov

Publicat cu permisiunea Apollo's Children Ltd și Jeff Forshow și Diane Banks Associates Ltd.

Suportul juridic pentru editura este oferit de firma de avocatura Vegas-Lex.

1. Urmează ceva ciudat

Cuantic. Acest cuvânt este simultan atrăgător pentru simțuri, confuz și fascinant. În funcție de punctul de vedere, aceasta este fie o dovadă a vastelor progrese ale științei, fie un simbol al limitărilor intuiției umane, care este forțată să se lupte cu ciudățenia inevitabil a tărâmului subatomic. Pentru un fizician, mecanica cuantică este unul dintre cei trei mari piloni pe care se sprijină înțelegerea naturii (ceilalți doi fiind teoriile relativității generale și speciale ale lui Einstein). Teoriile lui Einstein se ocupă de natura spațiului și a timpului și de forța gravitației. Mecanica cuantică face orice altceva și se poate spune că, oricât de atrăgătoare, confuză sau fascinantă ar fi, este doar o teorie fizică care descrie modul în care natura se comportă în realitate. Dar chiar dacă este măsurat după acest criteriu foarte pragmatic, este izbitor prin acuratețea și puterea sa explicativă. Există un experiment în domeniul electrodinamicii cuantice, cel mai vechi și cel mai bine înțeles dintre teoriile cuantice moderne. Măsoară modul în care se comportă un electron în apropierea unui magnet. Fizicienii teoreticieni au lucrat din greu ani de zile cu pixul și hârtie, iar mai târziu cu computerele, pentru a prezice ce ar arăta astfel de studii. Practicanții au venit cu și au pus la punct experimente pentru a afla mai multe detalii din natură. Ambele tabere au produs independent rezultate cu o precizie similară cu măsurarea distanței dintre Manchester și New York cu o eroare de câțiva centimetri. Este de remarcat faptul că cifrele obținute de experimentatori au fost complet în concordanță cu rezultatele calculelor teoreticienilor; măsurătorile și calculele au fost în total acord.

Acest lucru nu este doar impresionant, ci și surprinzător și, dacă construirea de modele ar fi singura preocupare a teoriei cuantice, ați putea să vă întrebați pe bună dreptate care este problema. Știința, desigur, nu trebuie să fie utilă, dar multe dintre schimbările tehnologice și sociale care ne-au revoluționat viețile provin din cercetare de bază condus de oameni de știință moderni care sunt motivați doar de dorința de a înțelege mai bine lumea din jurul nostru. Datorită acestor descoperiri conduse de curiozitate în toate ramurile științei, am crescut speranța de viață, călătoriile aeriene internaționale, ne-am eliberat de nevoia de a studia agricultură pentru propria noastră supraviețuire, precum și pentru o imagine amplă, inspirată și care deschide ochii a locului nostru în marea nesfârșită de stele. Dar toate acestea sunt, într-un fel, produse secundare. Explorăm din curiozitate, nu pentru că dorim să înțelegem mai bine realitatea sau să dezvoltăm gadget-uri mai eficiente.

Teoria cuantică – poate cel mai bun exemplu, cum ceva infinit de greu de înțeles pentru majoritatea oamenilor devine extrem de util. Este greu de înțeles deoarece descrie o lume în care o particulă poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp și se deplasează dintr-un loc în altul, explorând astfel întregul Univers. Este util pentru că înțelegerea comportamentului celor mai mici blocuri de construcție ale universului ne întărește înțelegerea tuturor celorlalte. Ne pune o limită aroganței, pentru că lumea este mult mai complexă și mai diversă decât părea. În ciuda acestei complexități, am descoperit că totul este format din multe particule minuscule care se mișcă în conformitate cu legile teoriei cuantice. Aceste legi sunt atât de simple încât pot fi scrise pe spatele unui plic. Iar faptul că o bibliotecă întreagă nu este necesară pentru a explica natura profundă a lucrurilor este în sine unul dintre cele mai mari mistere ale lumii.

Deci, cu cât învățăm mai multe despre natura elementară a universului, cu atât ni se pare mai simplu. Încetul cu încetul, vom ajunge să înțelegem toate legile și modul în care aceste mici blocuri interacționează pentru a forma lumea. Dar oricât de fascinați am fi de simplitatea care stă la baza Universului, trebuie să ne amintim: deși regulile de bază ale jocului sunt simple, consecințele lor nu sunt întotdeauna ușor de calculat. Experiența noastră zilnică a lumii este determinată de relațiile dintre multe miliarde de atomi și a încerca să derivăm principiile comportamentului oamenilor, animalelor și plantelor din nuanțele comportamentului acestor atomi ar fi pur și simplu stupid. Recunoscând acest lucru, nu îi slăbim importanța: în spatele tuturor fenomenelor se ascunde în cele din urmă fizica cuantică particule microscopice.

În funcție de punctul de vedere, teoria cuantică este fie o dovadă a vastelor progrese ale științei, fie un simbol al limitărilor intuiției umane, care trebuie să se confrunte cu ciudățenia tărâmului subatomic. Pentru un fizician, mecanica cuantică este unul dintre cei trei mari piloni pe care se bazează înțelegerea naturii (împreună cu teoriile generale și speciale ale relativității ale lui Einstein). Pentru cei care și-au dorit întotdeauna să înțeleagă măcar ceva despre modelul fundamental al structurii lumii, oamenii de știință Brian Cox și Jeff Forshaw explică în cartea lor „The Quantum Universe”, care a fost publicată de editura MYTH. T&P publică un scurt fragment despre esența cuanticii și originile teoriei.

Teoriile lui Einstein se ocupă de natura spațiului și a timpului și de forța gravitației. Mecanica cuantică face orice altceva și se poate spune că, oricât de atrăgătoare, confuză sau fascinantă ar fi, este doar o teorie fizică care descrie modul în care natura se comportă în realitate. Dar chiar dacă este măsurat după acest criteriu foarte pragmatic, este izbitor prin acuratețea și puterea sa explicativă. Există un experiment în domeniul electrodinamicii cuantice, cel mai vechi și cel mai bine înțeles dintre teoriile cuantice moderne. Măsoară modul în care se comportă un electron în apropierea unui magnet. Fizicienii teoreticieni au lucrat din greu ani de zile cu pixul și hârtie, iar mai târziu cu computerele, pentru a prezice ce ar arăta astfel de studii. Practicanții au venit cu și au pus la punct experimente pentru a afla mai multe detalii din natură. Ambele tabere au produs independent rezultate cu o precizie similară cu măsurarea distanței dintre Manchester și New York cu o eroare de câțiva centimetri. Este de remarcat faptul că cifrele obținute de experimentatori au fost complet în concordanță cu rezultatele calculelor teoreticienilor; măsurătorile și calculele au fost în total acord.

Teoria cuantică este poate cel mai bun exemplu al modului în care ceva care este infinit de greu de înțeles pentru majoritatea oamenilor devine extrem de util. Este greu de înțeles deoarece descrie o lume în care o particulă poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp și se deplasează dintr-un loc în altul, explorând astfel întregul Univers. Este util pentru că înțelegerea comportamentului celor mai mici blocuri de construcție ale universului ne întărește înțelegerea tuturor celorlalte. Ne pune o limită aroganței, pentru că lumea este mult mai complexă și mai diversă decât părea. În ciuda acestei complexități, am descoperit că totul este format din multe particule minuscule care se mișcă în conformitate cu legile teoriei cuantice. Aceste legi sunt atât de simple încât pot fi scrise pe spatele unui plic. Iar faptul că o bibliotecă întreagă nu este necesară pentru a explica natura profundă a lucrurilor este în sine unul dintre cele mai mari mistere ale lumii.

Imaginează-ți lumea din jurul nostru. Să presupunem că țineți în mâini o carte din hârtie - pastă de lemn măcinată. Copacii sunt mașini capabile să preia atomi și molecule, să le descompună și să le reorganizeze în colonii formate din miliarde de părți individuale. Ei fac acest lucru datorită unei molecule cunoscute sub numele de clorofilă, care este alcătuită din peste o sută de atomi de carbon, hidrogen și oxigen, care sunt îndoiți într-un mod special și legați de mai mulți atomi de magneziu și hidrogen. O astfel de combinație de particule este capabilă să capteze lumina care a zburat la 150.000.000 km de stea noastră - un centru nuclear cu un volum de un milion de planete precum Pământul - și să transporte această energie adânc în celule, unde este folosită pentru a crea noi molecule din carbon. dioxid și apă și eliberează dând viața noastră este oxigen.

Aceste lanțuri moleculare sunt cele care formează suprastructura care unește copacii, lucrarea din această carte și toate ființele vii. Ești capabil să citești o carte și să înțelegi cuvintele pentru că ai ochi și pot transforma lumina împrăștiată din pagini în impulsuri electrice care sunt interpretate de creier - cea mai complexă structură a Universului despre care chiar știm. Am descoperit că toate lucrurile din lume nu sunt altceva decât colecții de atomi și că cea mai mare varietate de atomi este formată din doar trei particule - electroni, protoni și neutroni. De asemenea, știm că protonii și neutronii înșiși sunt formați din entități mai mici numite quarci și acolo se termină totul - cel puțin așa credem acum. Baza pentru toate acestea este teoria cuantică.

Astfel, imaginea Universului în care trăim este fizicii moderne desenează cu o simplitate excepțională; fenomene elegante apar undeva unde nu pot fi văzute, dând naștere diversității macrocosmosului. Poate că aceasta este cea mai remarcabilă realizare stiinta moderna- reducerea complexității incredibile a lumii, inclusiv a oamenilor înșiși, la o descriere a comportamentului unui număr mic de particule subatomice minuscule și a patru forțe care acționează între ele. Cele mai bune descrieri Trei dintre aceste patru forțe - forțele nucleare puternice și slabe care există în nucleul atomic și forța electromagnetică care lipește atomii și moleculele împreună - sunt furnizate de teoria cuantică. Numai gravitația, cea mai slabă, dar poate cea mai familiară forță dintre toate, nu are în prezent o descriere cuantică satisfăcătoare.

Merită să recunoaștem că teoria cuantică are o reputație oarecum ciudată, iar în spatele numelui ei se ascund o mulțime de prostii reale. Pisicile pot fi atât vii, cât și moarte; particulele sunt în două locuri în același timp; Heisenberg susține că totul este incert. Toate acestea sunt într-adevăr adevărate, dar concluziile care decurg adesea din aceasta - deoarece ceva ciudat se întâmplă în microcosmos, atunci suntem învăluiți într-o ceață de ceață - sunt cu siguranță greșite. Percepția extrasenzorială, vindecări mistice, brățări vibrante care protejează împotriva radiațiilor și Dumnezeu știe ce altceva se strecoară în mod regulat în panteonul posibilului sub pretextul cuvântului „cuantic”. Această prostie este cauzată de incapacitatea de a gândi clar, de auto-înșelare, de neînțelegere reală sau prefăcută sau de o combinație deosebit de nefericită a tuturor celor de mai sus. Teoria cuantică descrie cu acuratețe lumea folosind legi matematice, la fel de specifice ca cele folosite de Newton sau Galileo. Acesta este motivul pentru care putem calcula câmpul magnetic al unui electron cu o acuratețe incredibilă. Teoria cuantică oferă o descriere a naturii despre care aflăm că are o putere predictivă și explicativă enormă, extinzându-se la orice, de la cipuri de siliciu la stele.

După cum se întâmplă adesea, apariția teoriei cuantice a fost provocată de descoperirea unor fenomene naturale care nu au putut fi descrise. paradigme științifice din acea vreme. Pentru teoria cuantică au existat multe astfel de descoperiri și de natură variată. O serie de rezultate inexplicabile a creat entuziasm și confuzie și, în cele din urmă, a declanșat o perioadă de inovație experimentală și teoretică care merită cu adevărat descrierea populară a „epocii de aur”. Numele personajelor principale sunt pentru totdeauna înrădăcinate în mintea oricărui student la fizică și sunt cel mai des menționate în cursurile universitare până în prezent: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Poate că nu va mai exista niciodată o perioadă în istorie când atât de multe nume vor fi asociate cu măreția științei care se îndreaptă către un singur scop - creația. noua teorie atomi și forțe care controlează lumea fizică. În 1924, privind înapoi la deceniile anterioare de teorie cuantică, Ernest Rutherford, fizicianul născut în Noua Zeelandă, care a descoperit nucleul atomic, scria: „Anul 1896... a marcat începutul a ceea ce a fost numit destul de exact epoca eroică. de stiinta fizica. Niciodată în istoria fizicii nu a existat o astfel de perioadă de activitate febrilă, în care o descoperire fundamentală semnificativă a înlocuit-o pe alta cu o viteză vertiginoasă.”

Doar până pe 30 iunie, cititorii T&P au o reducere la versiunile pe hârtie și electronice ale cărții. Reducerile sunt activate atunci când urmați linkurile.

Termenul „cuantic” a apărut în fizică în 1900 datorită lucrării lui Max Planck. El a încercat să descrie teoretic radiația emisă de corpurile încălzite - așa-numita „radiație a corpului negru”. Apropo, omul de știință a fost angajat în acest scop de o companie care se ocupa de iluminatul electric: așa se deschid uneori ușile Universului din cele mai prozaice motive. Planck a descoperit că proprietățile radiației corpului negru pot fi explicate doar dacă presupunem că lumina este emisă în porțiuni mici de energie, pe care el a numit-o cuante. Cuvântul în sine înseamnă „pachete” sau „discret”. Inițial a crezut că este doar un truc matematic, dar lucrarea lui Albert Einstein din 1905 despre efectul fotoelectric a susținut ipoteza cuantică. Rezultatele au fost convingătoare, deoarece cantități mici de energie ar putea fi sinonime cu particule.

Ideea că lumina este alcătuită dintr-un flux de gloanțe mici are o istorie lungă și mândră, datând de la Isaac Newton și de la nașterea fizicii moderne. Cu toate acestea, în 1864, fizicianul scoțian James Clerk Maxwell părea să risipească în cele din urmă toate îndoielile existente într-o serie de lucrări pe care Albert Einstein le-a descris mai târziu drept „cele mai profunde și mai fructuoase pe care le-a cunoscut fizica de la Newton”. Maxwell a arătat că lumina este o undă electromagnetică care se propagă prin spațiu, așa că ideea luminii ca undă a avut o origine impecabilă și aparent de netăgăduit. Cu toate acestea, într-o serie de experimente pe care Arthur Compton și colegii săi le-au efectuat la Universitatea Washington din St. Louis, ei au reușit să separe cuante de lumină de electroni. Ambele s-au comportat mai degrabă ca niște mingi de biliard, ceea ce a confirmat în mod clar că ipotezele teoretice ale lui Planck aveau o bază solidă în lumea reală. În 1926, cuantele de lumină au fost numite fotoni. Dovezile au fost de necontestat: lumina se comportă atât ca undă, cât și ca particule. Aceasta a însemnat sfârșitul fizicii clasice - și sfârșitul perioadei de dezvoltare a teoriei cuantice.

Editorii științifici Vyacheslav Maracha și Mihail Pavlov

Publicat cu permisiunea Apollo's Children Ltd și Jeff Forshow și Diane Banks Associates Ltd.

Suportul juridic pentru editura este oferit de firma de avocatura Vegas-Lex.

* * *

1. Urmează ceva ciudat

Acest lucru nu este doar impresionant, ci și surprinzător și, dacă construirea de modele ar fi singura preocupare a teoriei cuantice, ați putea să vă întrebați pe bună dreptate care este problema. Știința nu trebuie să fie utilă, desigur, dar multe dintre schimbările tehnologice și sociale care ne-au revoluționat viețile au apărut din cercetările de bază efectuate de oamenii de știință moderni care sunt motivați doar de dorința de a înțelege mai bine lumea din jurul lor. Datorită acestor descoperiri determinate de curiozitate în toate ramurile științei, am crescut speranța de viață, călătoriile internaționale cu avionul, ne-am eliberat de nevoia de a cultiva pentru propria noastră supraviețuire și am avut o imagine largă, inspirată și revelatoare a locului nostru în mare nesfârșită de stele. Dar toate acestea sunt, într-un fel, produse secundare. Explorăm din curiozitate, nu pentru că dorim să înțelegem mai bine realitatea sau să dezvoltăm gadget-uri mai eficiente.

Deci, cu cât învățăm mai multe despre natura elementară a universului, cu atât ni se pare mai simplu. Încetul cu încetul, vom ajunge să înțelegem toate legile și modul în care aceste mici blocuri interacționează pentru a forma lumea. Dar oricât de fascinați am fi de simplitatea care stă la baza Universului, trebuie să ne amintim: deși regulile de bază ale jocului sunt simple, consecințele lor nu sunt întotdeauna ușor de calculat. Experiența noastră zilnică a lumii este determinată de relațiile dintre multe miliarde de atomi și a încerca să derivăm principiile comportamentului oamenilor, animalelor și plantelor din nuanțele comportamentului acestor atomi ar fi pur și simplu stupid. Recunoscând acest lucru, nu îi diminuăm importanța: în spatele tuturor fenomenelor, în cele din urmă, se află fizica cuantică a particulelor microscopice.

Imaginează-ți lumea din jurul nostru. Țineți în mâini o carte din hârtie - pastă de lemn măcinată. Copacii sunt mașini care pot lua atomi și molecule, le pot descompune și le pot reorganiza în colonii formate din miliarde de părți individuale. Ei fac acest lucru datorită unei molecule cunoscute sub numele de clorofilă, care este alcătuită din peste o sută de atomi de carbon, hidrogen și oxigen, care sunt îndoiți într-un mod special și legați de mai mulți atomi de magneziu și hidrogen. O astfel de combinație de particule este capabilă să capteze lumina care a zburat la 150.000.000 km de stea noastră - un centru nuclear cu un volum de un milion de planete precum Pământul - și să transporte această energie adânc în celule, unde este folosită pentru a crea noi molecule din carbon. dioxid și apă și eliberează dând viața noastră este oxigen.

Aceste lanțuri moleculare sunt cele care formează suprastructura care unește copacii, lucrarea din această carte și toate ființele vii. Ești capabil să citești o carte și să înțelegi cuvintele pentru că ai ochi și pot transforma lumina împrăștiată din pagini în impulsuri electrice care sunt interpretate de creier, cea mai complexă structură a Universului despre care știm. Am descoperit că toate lucrurile din lume nu sunt altceva decât colecții de atomi, iar cea mai mare varietate de atomi este formată din doar trei particule - electroni, protoni și neutroni. De asemenea, știm că protonii și neutronii înșiși sunt formați din entități mai mici numite quarci și acolo se termină totul - cel puțin așa credem acum. Baza pentru toate acestea este teoria cuantică.

Astfel, fizica modernă zugrăvește tabloul Universului în care trăim cu o simplitate excepțională; fenomene elegante apar undeva unde nu pot fi văzute, dând naștere diversității macrocosmosului. Este poate cea mai remarcabilă realizare a științei moderne - reducerea complexității incredibile a lumii, inclusiv a oamenilor înșiși, la o descriere a comportamentului unui număr mic de particule subatomice minuscule și a patru forțe care acționează între ele. Cele mai bune descrieri a trei dintre aceste patru forțe - forțele nucleare puternice și slabe care există în nucleul atomic și forța electromagnetică care lipește atomii și moleculele împreună - sunt furnizate de teoria cuantică. Numai gravitația, cea mai slabă, dar poate cea mai familiară forță dintre toate, nu are în prezent o descriere cuantică satisfăcătoare.

Merită să recunoaștem că teoria cuantică are o reputație oarecum ciudată, iar în spatele numelui ei se ascund o mulțime de prostii reale. Pisicile pot fi atât vii, cât și moarte; particulele sunt în două locuri în același timp; Heisenberg susține că totul este incert. Toate acestea sunt într-adevăr adevărate, dar concluziile care decurg adesea din aceasta - deoarece ceva ciudat se întâmplă în microcosmos, atunci suntem învăluiți într-o ceață de ceață - sunt cu siguranță greșite. Percepția extrasenzorială, vindecări mistice, brățări vibrante care protejează împotriva radiațiilor și Dumnezeu știe ce altceva se strecoară în mod regulat în panteonul posibilului sub pretextul cuvântului „cuantic”. Această prostie este cauzată de incapacitatea de a gândi clar, de auto-înșelare, de neînțelegere reală sau prefăcută sau de o combinație deosebit de nefericită a tuturor celor de mai sus. Teoria cuantică descrie cu acuratețe lumea folosind legi matematice la fel de specifice precum cele folosite de Newton sau Galileo. Acesta este motivul pentru care putem calcula câmpul magnetic al unui electron cu o acuratețe incredibilă. Teoria cuantică oferă o descriere a naturii despre care aflăm că are o putere predictivă și explicativă enormă, extinzându-se la orice, de la cipuri de siliciu la stele.

Scopul acestei cărți este de a demistifica teoria cuantică, un construct teoretic care a derutat prea mulți oameni, inclusiv chiar și pe pionierii în domeniu. Intenționăm să adoptăm o perspectivă contemporană, bazându-ne pe lecțiile de un secol din retrospectiva și dezvoltarea teoriei. Cu toate acestea, pe măsură ce ne începem călătoria, ne ducem înapoi la începutul secolului al XX-lea și explorăm unele dintre problemele care i-au forțat pe fizicieni să se abată radical de la ceea ce era considerat anterior curentul principal al științei.

Așa cum se întâmplă adesea, apariția teoriei cuantice a fost provocată de descoperirea unor fenomene naturale care nu puteau fi descrise de paradigmele științifice ale vremii. Pentru teoria cuantică au existat multe astfel de descoperiri și de natură variată. O serie de rezultate inexplicabile a creat entuziasm și confuzie și, în cele din urmă, a declanșat o perioadă de inovație experimentală și teoretică care merită cu adevărat descrierea populară a „epocii de aur”. Numele personajelor principale sunt pentru totdeauna înrădăcinate în mintea oricărui student la fizică și sunt cel mai des menționate în cursurile universitare până în prezent: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Poate că nu va mai exista niciodată o perioadă în istorie în care atât de multe nume vor fi asociate cu măreția științei care se îndreaptă către un singur scop - crearea unei noi teorii a atomilor și a forțelor care guvernează lumea fizică. În 1924, privind înapoi la deceniile anterioare de teorie cuantică, Ernest Rutherford, fizicianul născut în Noua Zeelandă, care a descoperit nucleul atomic, scria: „Anul 1896... a marcat începutul a ceea ce a fost numit destul de exact epoca eroică. de stiinta fizica. Niciodată în istoria fizicii nu a existat o astfel de perioadă de activitate febrilă, în care o descoperire fundamentală semnificativă a înlocuit-o pe alta cu o viteză vertiginoasă.”

Dar înainte de a trece la Parisul secolului al XIX-lea și la nașterea teoriei cuantice, să ne uităm la cuvântul „cuantic” în sine. Acest termen a apărut în fizică în 1900 datorită lucrării lui Max Planck. El a încercat să descrie teoretic radiația emisă de corpurile încălzite - așa-numita „radiație a corpului negru”. Apropo, omul de știință a fost angajat în acest scop de o companie care se ocupa de iluminatul electric: așa se deschid uneori ușile Universului din cele mai prozaice motive. Vom discuta ideile strălucite ale lui Planck mai târziu în această carte, dar pentru introducere, este suficient să spunem: el a descoperit că proprietățile radiației corpului negru pot fi explicate numai dacă presupunem că lumina este emisă în porțiuni mici de energie, pe care a numit-o. cuante. Cuvântul în sine înseamnă „pachete” sau „discret”. Inițial a crezut că este doar un truc matematic, dar lucrarea lui Albert Einstein din 1905 despre efectul fotoelectric a susținut ipoteza cuantică. Rezultatele au fost convingătoare, deoarece cantități mici de energie ar putea fi sinonime cu particule.

2. În două locuri în același timp

Ernest Rutherford a numit începutul revoluției cuantice în 1896, pentru că atunci Henri Becquerel a descoperit radioactivitatea în laboratorul său din Paris. Becquerel a încercat să folosească un compus de uraniu pentru a produce raze X, care fusese descoperit de Wilhelm Roentgen la Würzburg cu doar câteva luni mai devreme. În schimb, s-a dovedit că compușii de uraniu emit les rayons uraniques, care sunt capabili să expună plăci fotografice, chiar dacă sunt înveliți într-un strat gros de hârtie prin care lumina nu pătrunde. Importanța razelor lui Becquerel a fost subliniată de marele om de știință Henri Poincaré în articolul său din 1897. Despre descoperire, el a scris prevestitor: „...chiar și astăzi putem presupune că dă acces complet lume nouă, a cărei existență nici nu am bănuit-o”. Ceea ce a fost cel mai derutant la dezintegrarea radioactivă care a explicat efectul descoperit a fost că razele păreau să fie emise spontan și imprevizibil, fără nicio influență externă.

În 1900, Rutherford scria despre aceasta: „Toți atomii formați în același timp trebuie să existe pentru un anumit interval. Acest lucru, însă, contrazice legile de transformare observate, conform cărora viața unui atom poate avea orice durată - de la zero la infinit." Un astfel de comportament haotic al elementelor microlumii a venit ca un șoc, pentru că înainte de asta știința era complet deterministă. Dacă la un moment dat știai tot ce era de știut despre un subiect, atunci se credea că poți prezice cu certitudine viitorul acelui subiect. Eliminarea acestui tip de predictibilitate este o caracteristică cheie a teoriei cuantice, care se ocupă mai degrabă de posibilitate decât de certitudine, nu pentru că ne lipsesc cunoștințele absolute, ci pentru că unele aspecte ale naturii sunt guvernate în esență de legile întâmplării. Prin urmare, astăzi înțelegem că este pur și simplu imposibil să prezicem exact când un anumit atom va experimenta dezintegrare. Dezintegrarea radioactivă este prima întâlnire a științei cu jocul de zaruri al naturii și ia nedumerit pe fizicieni de mulți ani.

Desigur, o mulțime de lucruri interesante s-au întâmplat în atomii înșiși, deși structura lor internă era complet necunoscută în acel moment. Rutherford a făcut o descoperire cheie în 1911. Folosind o sursă radioactivă, el a bombardat cea mai subțire foaie de aur cu așa-numitele particule alfa (acum știm că acestea sunt nucleele atomilor de heliu). Rutherford, împreună cu asistenții Hans Geiger și Ernest Marsden, au descoperit, spre surprinderea sa considerabilă, că aproximativ una din 8.000 de particule alfa nu a zburat prin foita de aur așa cum era de așteptat, ci a revenit direct înapoi. Ulterior, Rutherford a descris acest moment cu imagini caracteristice: „A fost poate cel mai incredibil eveniment care s-a întâmplat în viața mea. Era la fel de incredibil ca și cum ai fi tras cu un tun de cincisprezece inci într-o bucată hârtie igienică, iar ghiulele ar sări și te lovea.” Rutherford a fost considerat pe scară largă o persoană carismatică și simplă: el a numit odată un oficial îngâmfat un punct euclidian: „El are o poziție, dar nu o dimensiune”.

Rutherford credea că rezultatele sale experimentale ar putea fi explicate doar prin faptul că atomul este format dintr-un nucleu foarte mic și electroni care orbitează în jurul lui. La acea vreme, el poate să fi avut în minte aproximativ același model în care planetele orbitează în jurul Soarelui. Nucleul are aproape întreaga masă a atomului, motiv pentru care este capabil să-și oprească particulele alfa de „15 inci” și să le reflecte. Hidrogenul, cel mai simplu element, are un nucleu format dintr-un singur proton cu o rază de aproximativ 1,75 × 10 –15 m Dacă nu sunteți familiarizat cu această notație, conversia este de 0,000 000 000 000 001 75 m, sau aproximativ 2 mii. milioane de milioane de metru.

Din câte ne putem da seama acum, un singur electron arată ca acel birocrat înmulțumit de la Rutherford, adică ca un punct, și orbitează în jurul nucleului unui atom de hidrogen pe o rază de aproximativ 100.000 de ori diametrul nucleului.

Nucleul are o sarcină electrică pozitivă, iar electronul are o sarcină electrică negativă, ceea ce înseamnă că între ele există o forță de atracție, care este similară cu forța gravitațională care ține Pământul pe orbita solară. Acest lucru înseamnă, la rândul său, că atomii sunt practic spațiu gol. Dacă vă imaginați un nucleu atomic de dimensiunea unei mingi de tenis, atunci electronul va fi mai mic decât un fir de praf care zboară la un kilometru distanță de această minge. Astfel de cifre sunt destul de surprinzătoare, deoarece materia solidă nu ni se pare în mod clar atât de goală.

Nucleele atomice ale lui Rutherford au pus o serie de probleme pentru fizicienii din acea vreme. De exemplu, era bine cunoscut faptul că un electron trebuie să piardă energie atunci când se deplasează pe orbită în jurul unui nucleu, deoarece toate obiectele cu o sarcină electrică renunță la energie atunci când se deplasează pe traiectorii curbe. Această idee stă la baza modului în care funcționează transmițătoarele radio: electronii oscilează, rezultând în crearea undelor radio electromagnetice. Heinrich Hertz a inventat transmițătorul radio în 1887 și, în momentul în care Rutherford a descoperit nucleul atomic, exista deja un post de radio comercial care trimitea mesaje prin Oceanul Atlantic– din Irlanda până în Canada. Astfel, nimeni nu a fost surprins de teoria sarcinilor orbitale și a emisiei de unde radio, dar acest lucru i-a derutat pe cei care au încercat să explice modul în care electronii au rămas pe orbită în jurul nucleului.

Un fenomen la fel de inexplicabil a fost lumina emisă de atomii încălziți. În 1853, omul de știință suedez Anders Angström a trecut o scânteie printr-un tub plin cu hidrogen și a analizat lumina rezultată. S-ar putea presupune că gazul ar străluci cu toate culorile curcubeului; la urma urmei, ce este Soarele dacă nu o minge strălucitoare de gaz? În schimb, Ångström a descoperit că hidrogenul strălucea în trei culori distincte: roșu, albastru-verde și violet, producând trei arce clare, înguste, ca un curcubeu. S-a descoperit curând că toată lumea se comportă astfel elemente chimice. Fiecare dintre ele are un cod de bare color unic. În momentul în care Rutherford a vorbit despre nucleul atomic, omul de știință Heinrich Kaiser a finalizat o carte de referință în șase volume, de 5.000 de pagini, intitulată Handbuch der Spectroscopie („Manual de spectroscopie”): descria toate liniile luminoase colorate ale elementelor cunoscute. Întrebarea, desigur, este de ce? Și nu doar „De ce, profesore Kaiser?” (probabil, la cină au glumit adesea pe numele lui de familie), dar și „De ce sunt atâtea linii colorate?” De mai bine de 60 de ani, știința numită spectroscopie a fost un triumf empiric și un eșec teoretic.

În martie 1912, fizicianul danez Niels Bohr, fascinat de problema structurii atomice, a călătorit la Manchester pentru a-l întâlni pe Rutherford. El a remarcat mai târziu că încercările de a descifra structura internă atomii conform datelor spectroscopice erau oarecum asemănătoare cu deducerea postulatelor de bază ale biologiei din colorarea aripii unui fluture. Atomul lui Rutherford cu modelul lui în spirit sistem solar i-a dat lui Bohr indiciu necesar, iar în 1913 a publicat deja prima teorie cuantică a structurii atomului. Această ipoteză, desigur, avea problemele sale, dar conținea câteva dintre cele mai importante idei care au stimulat dezvoltarea teoriei cuantice moderne. Bohr a concluzionat că electronii ar putea ocupa doar anumite orbite în jurul nucleului, iar orbita cu cea mai joasă energie ar fi cea mai apropiată. El a susținut, de asemenea, că electronii sunt capabili să sară de pe orbită pe orbită. Se deplasează pe o orbită mai îndepărtată atunci când primesc energie (de exemplu, de la o scânteie dintr-un tub), apoi se apropie de centru în timp ce emit lumină. Culoarea acestei radiații este direct determinată de diferența de energii electronilor pe aceste două orbite. Orez. 2.1 ilustrează ideea principală; săgeata arată cum electronul sare de la al treilea nivel de energie la al doilea, emițând lumină (reprezentată de linia ondulată). În modelul lui Bohr, un electron se poate mișca în jurul unui proton (nucleul unui atom de hidrogen) numai pe una dintre orbitele speciale, „cuantizate”; mișcarea în spirală este pur și simplu interzisă. Astfel, modelul lui Bohr i-a permis să calculeze lungimile de undă (adică culorile) luminii pe care Ångström le-a observat: acestea corespundeau unui electron care sări de la a cincea la a doua orbită (violet), de la a patra la a doua (albastru-verde) și de la a treia la a doua (culoare roșie). De asemenea, modelul lui Bohr a prezis corect existența luminii, care ar trebui să fie emisă atunci când un electron se deplasează pe prima orbită. Această lumină este partea ultravioletă a spectrului, invizibilă pentru ochiul uman. De aceea nici Angstrom nu a văzut-o. Cu toate acestea, în 1906 a fost înregistrată de fizicianul de la Harvard Theodore Lyman, iar aceste date au fost descrise perfect de modelul Bohr.

Orez. 2.1. Modelul atomului lui Bohr, ilustrând emisia unui foton (linie ondulată) ca urmare a transferului unui electron de pe o orbită pe alta (indicată printr-o săgeată)

Deși Bohr nu a putut să-și extindă modelul dincolo de atomul de hidrogen, ideile prezentate ar putea fi aplicate altor atomi. De exemplu, dacă presupunem că atomii fiecărui element au un set unic de orbite, ei vor emite raze de lumină de o anumită culoare. Astfel, aceste culori servesc ca un fel de „amprentă” a atomului, iar astronomii, desigur, au profitat imediat de unicitatea liniilor spectrale ale atomilor pentru a determina compoziția fizică a stelelor.

Modelul lui Bohr a fost un început bun, dar toată lumea era conștientă de insuficiența lui: de exemplu, de ce nu s-ar putea mișca electronii în spirală când se știa că trebuie să piardă energie prin emiterea de unde electromagnetice (idee care a primit o confirmare reală odată cu apariția de radio)? Și de ce sunt inițial cuantificate orbitele electronilor? Și cum rămâne cu elementele mai grele decât hidrogenul: ce putem face pentru a înțelege structura lor?

Dar oricât de imperfectă ar părea teoria lui Bohr, a fost un pas extrem de important și un exemplu al modului în care oamenii de știință pot uneori să facă progrese. Nu există niciun motiv să depuneți armele în fața unor fapte derutante și uneori nedumerite. În astfel de cazuri, oamenii de știință fac adesea ceea ce se numește ansatz- o estimare sau, dacă doriți, o presupunere plauzibilă și apoi continuați să calculați consecințele acesteia. Dacă ipoteza funcționează, adică teoria rezultată este în concordanță cu datele experimentale, atunci ne putem întoarce cu mai multă încredere la ipoteza originală și putem încerca să o înțelegem mai detaliat. Ansatz-ul lui Bora a rămas de succes timp de 13 ani, dar nu a fost explicat pe deplin.

Vom reveni la istoria acestor idei cuantice timpurii în paginile ulterioare ale cărții, dar deocamdată ne confruntăm cu doar o mulțime de rezultate ciudate și întrebări cu răspunsuri incomplete - la fel ca fondatorii teoriei cuantice. Pentru a rezuma, Einstein, după Planck, a propus că lumina este formată din particule, dar Maxwell a arătat deja că lumina se comportă ca o undă. Rutherford și Bohr deschideau calea spre înțelegerea structurii atomului, dar comportamentul electronului în interiorul atomului nu era în concordanță cu niciuna dintre teoriile cunoscute la acea vreme. Iar diferitele fenomene cunoscute colectiv sub numele de radioactivitate, în care atomii s-au împărțit spontan în bucăți din motive necunoscute, au rămas un mister, în mare parte pentru că au introdus un element interesant de aleatorie în fizică. Nu mai era nicio îndoială: ceva ciudat venea în lumea subatomică.

Primul pas către un răspuns comun și convenit la aceste întrebări este cel mai atribuit fizicianului german Werner Heisenberg. Ceea ce a făcut a fost o abordare complet nouă a teoriei materiei și a forțelor fizice. În iulie 1925, Heisenberg a publicat o lucrare care examina idei și ipoteze vechi bune, inclusiv modelul atomic al lui Bohr, dar din perspectiva unei abordări complet noi a fizicii. El a început: „Această lucrare încearcă să obțină bazele mecanicii teoretice cuantice, care se bazează exclusiv pe relații între cantități fundamentale observabile.” Acesta este un pas important deoarece modul lui Heisenberg de a sublinia că matematica de bază a teoriei cuantice nu trebuie să fie de acord cu nimic deja cunoscut. Scopul teoriei cuantice ar trebui să fie de a prezice direct comportamentul obiectelor observabile - de exemplu, culoarea razelor de lumină emise de atomii de hidrogen. Nu se poate aștepta de la ea nicio reprezentare mentală satisfăcătoare a mecanismului intern al comportamentului atomului, deoarece acest lucru nu este nici necesar, nici, poate, chiar realist. Cu o singură lovitură, Heisenberg a risipit ideea că acțiunile naturii sunt în mod necesar în concordanță cu bunul simț. Acest lucru nu înseamnă că teoria microlumii nu poate fi în concordanță cu experiența noastră de zi cu zi de a descrie mișcarea obiectelor mari - de exemplu, avioane sau mingi de tenis. Dar trebuie să fii pregătit să renunți la concepția greșită că obiectele mici sunt doar varietăți mici de obiecte mari și tocmai această concepție greșită poate fi dezvoltată în cursul observațiilor experimentale.

Nu există nicio îndoială că teoria cuantică este un lucru viclean și, cu atât mai mult, nu există nicio îndoială că abordarea lui Heisenberg în sine este extrem de vicleană. Laureatul Nobel Steven Weinberg, unul dintre cei mai mari fizicieni vii, a scris despre lucrarea lui Heisenberg din 1925:

„Dacă ceea ce a făcut Heisenberg rămâne un mister pentru cititor, el nu este singurul în asta. Am încercat de mai multe ori să citesc lucrarea pe care a scris-o la întoarcerea sa din insula Helgoland și, deși cred că înțeleg mecanica cuantică, nu am înțeles pe deplin rațiunea acțiunilor matematice ale autorului în această lucrare. Fizicienii teoreticieni joacă adesea unul dintre cele două roluri în lucrările lor cele mai de succes: fie sunt înțelepți, fie vrăjitori... De obicei nu este greu de înțeles munca fizicienilor înțelepți, dar munca fizicienilor vrăjitori este uneori complet de neînțeles. În acest sens, lucrarea lui Heisenberg din 1925 este magie pură.”

Filosofia lui Heisenberg, însă, nu reprezintă nimic magic. Este simplu și stă la baza abordării pe care o adoptăm în această carte: sarcina unei teorii explicative este de a face predicții cantitative care să fie comparabile cu rezultatele experimentale. Nu avem cum să dezvoltăm o teorie care să aibă vreo legătură cu percepția noastră asupra lumii ca întreg. Din fericire, deși ne asumăm filozofia lui Heisenberg, vom urma abordarea mai înțeleasă a lumii cuantice dezvoltată de Richard Feynman.

În ultimele pagini ale acestei cărți am folosit cuvântul „teorie” prea vag de mai multe ori, așa că înainte de a continua să dezvoltăm teoria cuantică, va fi util să aruncăm o privire mai atentă la una mai simplă. O teorie științifică bună conține un set de reguli care definesc ce se poate și nu se întâmplă într-o anumită parte a universului. O teorie trebuie să facă predicții care pot fi ulterior testate prin observații. Dacă predicțiile se dovedesc a fi false, atunci această teorie este incorectă și trebuie înlocuită. Dacă predicțiile sunt de acord cu observațiile, teoria este viabilă. Nicio teorie nu poate fi considerată „adevărată”, în sensul că trebuie să fie întotdeauna posibil să o falsificăm, adică să se dovedească falsă. După cum a scris biologul Thomas Huxley, „știința este un bun simț ordonat în care multe teorii frumoase au fost ucise de fapte urâte”. Orice teorie care nu poate fi falsificată nu este considerată științifică; Mai mult, s-ar putea spune chiar că nu conține deloc informații de încredere. Criteriul falsificabilității distinge teoriile științifice de opiniile obișnuite. Această înțelegere științifică a termenului „teorie”, apropo, diferă de utilizarea de zi cu zi, în care acest cuvânt înseamnă adesea raționament speculativ. Teoriile științifice pot fi speculative până când se confruntă cu dovezi empirice, dar o teorie bine stabilită în știință este întotdeauna susținută de un corp mare de dovezi. Oamenii de știință încearcă să dezvolte teorii pentru a explica cât mai multe fenomene, iar fizicienii în special sunt entuziasmați de perspectiva de a descrie tot ce se poate întâmpla în lumea materială folosind un număr mic de reguli.

Un exemplu de teorie bună care poate fi aplicată în multe cazuri este teoria gravitației universale a lui Isaac Newton, publicată la 5 iulie 1687, în Principia Mathematica. Aceasta a fost prima teorie științifică modernă și, deși s-a dovedit ulterior a fi inexactă în unele cazuri, în general teoria a fost atât de bună încât este folosită și astăzi. O teorie mai precisă a gravitației - teorie generală relativitatea - dezvoltată de Einstein în 1915.

Descrierea gravitației făcută de Newton poate fi pusă într-o singură ecuație matematică:

Această formulă poate părea simplă sau complexă, în funcție de cunoștințele tale matematice. În această carte vom recurge uneori la matematică. Pentru acei cititori cărora le este dificil acest lucru, vă sfătuim să săriți peste ecuații și să nu vă faceți prea multe griji. Vom încerca întotdeauna să prezentăm idei cheie fără a recurge la matematică. A fost adăugată în principal pentru că ajută la explicarea de ce lucrurile sunt așa cum sunt. Fără aceasta, am arăta ca un fel de guru ai fizicii, care extrag adevăruri profunde din aer, și niciun autor decent nu își dorește asta.

Dar să revenim la ecuația lui Newton. Imaginează-ți că mărul este ținut precar pe ramură. Gândurile despre forța gravitației care a făcut ca un anumit măr copt să cadă pe capul lui Newton într-o zi de vară, conform folclorului științific, au devenit sursa teoriei sale. Newton spunea că gravitația acționează asupra unui măr, care îl trage spre pământ, iar această forță este reprezentată în ecuație de litera F. Deci, în primul rând, ecuația vă permite să calculați forța care acționează asupra mărului dacă știți ce înseamnă simbolurile din partea dreaptă a formulei.

Scrisoare r denotă distanța dintre centrul mărului și centrul Pământului. Este pătrat deoarece Newton a descoperit că forța depinde de pătratul distanței dintre obiecte. Dacă ne lipsim de matematică, asta înseamnă că atunci când distanța dintre măr și centrul Pământului se dublează, gravitația va scădea de 4 ori. Dacă distanța este triplată, forța gravitațională scade de 9 ori. Și așa mai departe. Fizicienii numesc acest comportament legea inversului pătratului. Scrisori m 1 și m 2 indică masa mărului și masa Pământului, iar aspectul lor indică înțelegerea lui Newton a legii: forța de atracție gravitațională dintre două obiecte depinde de produsul maselor lor. Dar se pune întrebarea: ce este masa? Această întrebare este interesantă în sine și pentru a obține cel mai complet răspuns va trebui să așteptăm până când vorbim despre particula cuantică cunoscută sub numele de bosonul Higgs. În linii mari, masa este o măsură a cantității de „lucruri” din ceva; Pământul este mai masiv decât un măr. Cu toate acestea, această definiție nu este suficient de bună. Din fericire, Newton a oferit și o modalitate de a măsura masa unui obiect independent de legea gravitației, iar această metodă este derivată folosind a doua dintre cele trei legi ale mișcării, atât de îndrăgite de fiecare student modern la fizică.

Brian Cox, Jeff Forshaw

Universul cuantic. Cum funcționează lucrurile pe care nu le putem vedea

Editorii științifici Vyacheslav Maracha și Mihail Pavlov

Publicat cu permisiunea Apollo's Children Ltd și Jeff Forshow și Diane Banks Associates Ltd.

Suportul juridic pentru editura este oferit de firma de avocatura Vegas-Lex.

* * *

1. Urmează ceva ciudat

Acest lucru nu este doar impresionant, ci și surprinzător și, dacă construirea de modele ar fi singura preocupare a teoriei cuantice, ați putea să vă întrebați pe bună dreptate care este problema. Știința nu trebuie să fie utilă, desigur, dar multe dintre schimbările tehnologice și sociale care ne-au revoluționat viețile au apărut din cercetările de bază efectuate de oamenii de știință moderni care sunt motivați doar de dorința de a înțelege mai bine lumea din jurul lor. Datorită acestor descoperiri determinate de curiozitate în toate ramurile științei, am crescut speranța de viață, călătoriile internaționale cu avionul, ne-am eliberat de nevoia de a cultiva pentru propria noastră supraviețuire și am avut o imagine largă, inspirată și revelatoare a locului nostru în mare nesfârșită de stele. Dar toate acestea sunt, într-un fel, produse secundare. Explorăm din curiozitate, nu pentru că dorim să înțelegem mai bine realitatea sau să dezvoltăm gadget-uri mai eficiente.

Deci, cu cât învățăm mai multe despre natura elementară a universului, cu atât ni se pare mai simplu. Încetul cu încetul, vom ajunge să înțelegem toate legile și modul în care aceste mici blocuri interacționează pentru a forma lumea. Dar oricât de fascinați am fi de simplitatea care stă la baza Universului, trebuie să ne amintim: deși regulile de bază ale jocului sunt simple, consecințele lor nu sunt întotdeauna ușor de calculat. Experiența noastră zilnică a lumii este determinată de relațiile dintre multe miliarde de atomi și a încerca să derivăm principiile comportamentului oamenilor, animalelor și plantelor din nuanțele comportamentului acestor atomi ar fi pur și simplu stupid. Recunoscând acest lucru, nu îi diminuăm importanța: în spatele tuturor fenomenelor, în cele din urmă, se află fizica cuantică a particulelor microscopice.

Aceste lanțuri moleculare sunt cele care formează suprastructura care unește copacii, lucrarea din această carte și toate ființele vii. Ești capabil să citești o carte și să înțelegi cuvintele pentru că ai ochi și pot transforma lumina împrăștiată din pagini în impulsuri electrice care sunt interpretate de creier, cea mai complexă structură a Universului despre care știm. Am descoperit că toate lucrurile din lume nu sunt altceva decât colecții de atomi, iar cea mai mare varietate de atomi este formată din doar trei particule - electroni, protoni și neutroni. De asemenea, știm că protonii și neutronii înșiși sunt formați din entități mai mici numite quarci și acolo se termină totul - cel puțin așa credem acum. Baza pentru toate acestea este teoria cuantică.

Merită să recunoaștem că teoria cuantică are o reputație oarecum ciudată, iar în spatele numelui ei se ascund o mulțime de prostii reale. Pisicile pot fi atât vii, cât și moarte; particulele sunt în două locuri în același timp; Heisenberg susține că totul este incert. Toate acestea sunt într-adevăr adevărate, dar concluziile care decurg adesea din aceasta - deoarece ceva ciudat se întâmplă în microcosmos, atunci suntem învăluiți într-o ceață de ceață - sunt cu siguranță greșite. Percepția extrasenzorială, vindecări mistice, brățări vibrante care protejează împotriva radiațiilor și Dumnezeu știe ce altceva se strecoară în mod regulat în panteonul posibilului sub pretextul cuvântului „cuantic”. Această prostie este cauzată de incapacitatea de a gândi clar, de auto-înșelare, de neînțelegere reală sau prefăcută sau de o combinație deosebit de nefericită a tuturor celor de mai sus. Teoria cuantică descrie cu acuratețe lumea folosind legi matematice la fel de specifice precum cele folosite de Newton sau Galileo. Acesta este motivul pentru care putem calcula câmpul magnetic al unui electron cu o acuratețe incredibilă. Teoria cuantică oferă o descriere a naturii despre care aflăm că are o putere predictivă și explicativă enormă, extinzându-se la orice, de la cipuri de siliciu la stele.