Почему уравнение Шредингера у меня вызывает эстетическое удовольствие

|
Версия для печатиВерсия для печати
Фото:  уравнение Шредингера

Как из фундаментальных исследований вырастает наше настоящее

Как-то я читал лекцию для широкой общественности о квантовой механике. Часть ее касалась чисто теоретических исследований, а дальше планировал рассказать о технологиях, основанные на этой науке.

Во время перерыва одна девушка сказала мне: «Я разочаровалась в квантовой физике! Она не имеет никакого практического применения». Меня возмутило такое отношение к науке, хотя оно, к сожалению, очень распространено. «Какая польза от вашей науки, когда я не могу применить ее в быту?» — спрашивают миллионы людей. В этом вопросе кроется и глубокое непонимание людьми принципов существования науки, и просто невежество, ведь трудно найти сферу фундаментальных исследований, которая так или иначе не повлияла бы на технологический прогресс.

В тему: 18 главных вопросов жизни, Вселенной и всего остального

Нобелевский лауреат 2010 года по физике Андре Гейм занимается уменьшением финансирования фундаментальных исследований во всем мире, считая чуть ли не одной из самых больших угроз цивилизации. По его мнению, это может затормозить научно-технический прогресс, ведь прикладная наука питается знаниями из фундаментальной, как озера питаются стоками рек.

Если реки пересохнут, озера также обмелеют или вообще высохнут. Один из самых цитируемых материаловедов мира Юрий Гогоци рассказывает, что американские бизнесмены пытаются просчитывать прибыль с каждого миллиона долларов инвестиций в фундаментальные исследования, хотя это бесполезно. Просчитать невозможно: исследования могут дать «выхлоп» в будущем, а могут иметь совершенно неожиданный результат и для настоящего, что создаст многомиллионный рынок, например открытие графена и других двумерных кристаллов. Или просто увеличить наши знания, что уже неплохой результат. Хотя инвестиции это вряд ли вернет.

Если вы разделяете мнение девушки с моей лекции, советую присмотреться к любому девайсу. В ноутбуках, настольных процессорах, смартфонах, фотоаппаратах задействованы миллионы полупроводниковых транзисторов. До 40-х годов прошлого века полупроводники, то есть материалы, которые могут проводить ток только после достижения им определенного предела, даже нобелевские лауреаты (например, Вольфганг Паули, премия по физике за 1945 год) считали недоразумением, которое никогда не найдет своего назначения. Это и не металлы, и не изоляторы. Черт его знает что, одним словом! После того, как благодаря квантовой физике удалось разгадать физическую суть этих материалов, что привело к изобретению транзистора, начался бум полупроводниковой электроники, которой пользуемся все мы.

В тему: Ученый Олег Кришталь: Нужна ли Украине своя биология? Нет, нужнее африканские футболисты

В 1905-м Альберт Эйнштейн использовал недавно разработанную концепцию квантов для описания фотоэффекта — явления, когда свет выбивает электроны из металлов. Собственно, Эйнштейн и ввел в науку слово «квант». Фотоэффект лежит в основе фоторезисторов, входящих в состав устройств для автоматической сортировки, учета и проверки качества продукции. Инфракрасные датчики, датчики освещения, уличные фонари, которые автоматически включаются и выключаются, солнечные батареи, робототехника, фотоаппараты, приборы ночного видения. Даже звуковое кино стало возможным только с использованием фотоэффекта.

Созданный в июле этого года в Гарвардском университете квантовый компьютер на 51 кубит (аналог обычных бит для квантовых технологий) теоретически уже может превзойти самые мощные имеющиеся обычные компьютеры. Пока его протестировали на моделировании сложной физической системы, с которой он справился значительно лучше. Просматривать любимые фильмы из интернета на таком компьютере нет смысла: вряд ли он покажет лучшее качество. А вот раскладывать на простые множители числа, чтобы взламывать криптографические шифры и иметь доступ к любым чьим-то банковским счетам, уже скоро станет возможным. Поэтому многие банки вкладывают деньги в развитие квантовой криптографии — шифров, которые будет нереально сломать.

В 1859 году французский математик и астроном Леверье открыл странный эффект: орбита Меркурия немного изменялась, что очень медленно вращалась вокруг Солнца. Леверье не сумел объяснить эффект влиянием других планет. Это был первый случай, когда теория тяготения, разработанная Ньютоном, сработала неправильно. Отклонение было очень маленькое, но им нельзя было пренебрегать, и оно почти на 60 лет загнало ученых в тупик.

Решил загадку Альберт Эйнштейн в 1916-м, в корне изменив представление научного сообщества о нашем мире. Общая теория относительности описала гравитацию как искривление пространства-времени. Тяжелые объекты, например звезды или планеты, искривляют его больше, и более легкие объекты как бы «скатываются» в эти ямы пространства-времени. Так возникает сила притяжения. Солнце значительно искажает пространство вокруг себя. Но и Меркурий также. Именно поэтому его орбита немного меняется. Если бы он никак не влиял на пространство-время, орбита у него тоже была бы постоянной.

«Какая же польза от вашей теории относительности? — спросите вы. — Ну искривляется там какое-то пространство-время, мне с того какая выгода? Разве что фильмы вроде „Интерстеллар“ снимать». Общая и специальная теории относительности используются для расчета орбит спутников. Например, для определения точных координат благодаря GPS. Без поправок по теории Эйнштейна ежедневно в координатах набегала бы погрешность несколько десятков метров — и уже через неделю-две, находясь на Майдане, вы с удивлением нашли бы себя на Подоле согласно показаниям смартфона.

В тему: Люди, которые могут всё. 7 историй об украинских ученых и открытиях

Так что когда в следующий раз вы включите GPS, чтобы не заблудиться в незнакомой местности, вспомните о маленьком Меркурии, который движется немного не так. А «Интерстеллар», кстати, собрал почти миллиард долларов в прокате — неплохо так для фильма о теории относительности, «которая не имеет никакой практической выгоды».

Часто привычные нам технологии появляются как побочный эффект развития фундаментальной науки. Трудно найти более фундаментальную теорию, чем стандартная модель. Она описывает три типа взаимодействия (электромагнитное, слабое и сильное) и не описывает гравитацию (это сфера общей теории относительности). Для подтверждения выводов стандартной модели на ускорителе проводят эксперименты, сталкивая элементарные частицы почти со скоростью света.

Долгое время краеугольным камнем теории был бозон Хиггса — элементарная частица, предсказанная британским ученым Питером Хиггсом еще в 1964 году. Чтобы «поймать» эту частицу и таким образом подтвердить правильность теории, построили крупнейшую в мире экспериментальную установку, которая одновременно является крупнейшим целостным механизмом, — Большой адронный коллайдер. Более 10 тыс. ученых и инженеров из сотни стран участвовали в разработке коллайдера, который сейчас простирается на 27 км между Францией и Швейцарией. Перед инженерами стояли серьезные технические вызовы; в частности, они касались и обмена информацией между собой.

Еще в конце 1980-х, когда коллайдер был на стадии проектирования, ученый Тим Бернес-Ли из Европейской организации ядерных исследований (CERN) изобрел гипертекстовый протокол для быстрого обмена данными. В 1991-м Всемирная паутина, так назвали изобретение, стала доступной работникам CERN. В 1993-м ее открыли для сторонних пользователей.

Так началась история интернета. Именно так, интернет создали не для того, чтобы лайкать котиков, а для обмена информацией при попытке доказать правильность фундаментальной физической теории. Ведь каждый высокотехнологичный эксперимент, даже если он не имеет непосредственного отношения к нашему быту, порождает новые технологии, некоторые из которых могут пригодиться и простым гражданам. Коллайдер спродуктировал 200 тыс. Тб данных. Если перевести в кинофильмы в HD-качестве (в среднем 4,71 Гб каждый), то это эквивалентно 42,5 млн фильмов. Для обработки такого колоссального объема информации создали сеть GRID, алгоритмы которой применяют и для других областей науки: археологии, астрономии, инженерии, для создания новых материалов.

Что касается бозона Хиггса, то его «поймали» в 2012-м, а в 2013-м Питер Хиггс получил Нобелевскую премию по физике.

Но вернемся к разговору, состоявшемуся в моей лекции. Я спросил, чем занимается та девушка. Она искусствовед. «А какой практический смысл имеют картины Босха?» — «Они вызывают эстетическое удовольствие!» — «Тогда я отвечу, что уравнение Шредингера у меня также вызывает эстетическое удовольствие. Ведь оно идеально». Более того, благодаря, в частности, уравнению Шредингера я написал этот текст на ноутбуке и прислал в редакцию через интернет, а не набрал на печатной машинке и не ходил на почту. А Босх кому-то может и не нравиться.

Олег Фея, опубликовано в издании Тиждень.UA

Перевод: Аргумент


В тему:


Читайте «Аргумент» в Facebook и Twitter

Если вы заметили ошибку, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter.

Последние новости

Важно

Как эффективно контролировать местную власть

Алгоритм из 6 шагов поможет каждому контролировать любых чиновников.

Как эффективно контролировать местную власть