Суббота , 18 Сентябрь 2021

Квантовая механика простыми словами: Квантовая физика простым языком

Содержание

Квантовая физика простым языком

Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории

Сложно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия об абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», о трехмерном евклидовом пространстве и равномерно текущем времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы не замечаем их. А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях и для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все относительно», «время и пространство едины», — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью.

На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.

Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись со множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

С нашим трехмерным умом вряд ли возможно вообразить четырехмерный континуум пространства-времени

Планетарная теория. Волна или частица

До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вероятностные электронные облака. Строение ядра и ядерные частицы

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Для электрона мы можем лишь примерно описать, в каких областях он может находиться, и с какой вероятностью

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые — третья возникнет из энергии их столкновения

Участник вместо наблюдателя

В мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В современной физике элементарных частиц все больше вопросов вызывает фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником»

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает... сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся

Принцип неопределенности.

Место или импульс, энергия или время

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем.

При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?

суть простыми словами « Народное Движение Узбекистана

Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас.   Я постараюсь объяснить,  что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.

«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно  квантовую физику очень сложно понять из-за того, что  она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже  любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также  волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте  его рассмотрим.

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя  щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами.   Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются  волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.

Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать  мелкие камни, они, пролетая  сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он  проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно,  нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет  с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда  электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет  сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.

«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.

Но  если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.

Мультфильм про квантовую физику:

Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.

Видео о квантовой физике:

И как вы раньше об этом не знали.

Источник: zslife.ru

Квантовая механика для всех, даром, и пусть никто не уйдёт обиженным: часть первая / Хабр

Здравствуйте! Я хотел бы представить вашему вниманию отличное введение в квантовую механику, написанное Элиезером Юдковским; быть может, он известен вам по своему сайту lesswrong.com, посвящённому рационализму, предрассудкам, когнитивным парадоксам и ещё многим интересным вещам.

читать вторую часть →

Предупреждаю сразу: этот цикл статей заметно отличается от традиционного введения в квантовую механику.

Во-первых, я не буду цитировать Ричарда Фейнмана, однажды заявившего, что «это нормально — не понимать квантовую механику, потому что никто её не понимает». Когда-то это было так, но времена меняются.

Я не скажу: «Квантовую механику невозможно понять, к ней просто нужно привыкнуть». (Эту цитату приписывают Джону фон Нейману; он жил в те дремучие времена, когда никто и в самом деле не понимал квантовую механику.)

Нельзя заканчивать объяснение словами «Если что-то непонятно, так и должно быть». Нет, так не должно быть. Может, проблема в вас. Может — в вашем учителе. В любом случае, её надо решать, а не сидеть сложа руки и успокаивать себя тем, что все остальные тоже ничего не понимают.

Я не буду говорить, что квантовая механика — это нечто странное, запутанное или недоступное для человеческого понимания. Да, она контринтуитивна — но это беда исключительно нашей интуиции. Квантовая механика возникла задолго до Солнца, планеты Земля или человеческой цивилизации. Она не собирается меняться ради вас. Вообще, не существует обескураживающих фактов, есть только теории, обескураженные фактами; а если теория не совпадает с практикой, это не делает ей чести.

Всегда стоит рассматривать реальность как совершенно обыденную вещь. С начала времён во Вселенной не случилось ничего необычного.

Наша цель — научиться чувствовать себя как дома в этом квантовом мире. Потому что мы и так дома.

На протяжении всего этого цикла я буду говорить о квантовой механике как о самой обычной теории; а там, где интуитивное представление о мире не совпадает с ней, я буду высмеивать интуицию за несоответствие реальности.

Во-вторых, я не собираюсь следовать традиционному порядку изучения квантовой механики, копирующему порядок, в котором её открывали.

Обычно всё начинается с рассказа о том, что материя иногда ведёт себя как кучка маленьких бильярдных шаров, сталкивающихся между собой, а иногда — как волны на поверхности бассейна. Это сопровождается несколькими примерами, иллюстирующими оба взгляда на материю.

Раньше, когда всё это только зарождалось и никто не имел ни малейшего понятия о математических основах физики, учёные всерьёз считали, что всё состоит из атомов, ведущих себя примерно как бильярдные шары. А потом они стали считать, что всё состоит из волн. А потом они опять вернулись к бильярдным шарам. Всё это привело к тому, что учёные окончательно запутались, и только через несколько десятилетий — к концу девятнадцатого века — им удалось расставить всё по своим местам.

Если применить этот исторический достоверный подход к обучению современных студентов (как сейчас и поступают), с ними закономерно случится то же, что случилось с ранними учёными, а именно — они впадут в полное и абсолютное замешательство. Рассказывать студентам, изучающим физику, о корпускулярно-волновом дуализме, это то же самое, что начинать курс химии лекцией о четырёх стихиях.

Электрон не похож ни на бильярдный шар, ни на гребень океанской волны. Электрон — это совершенно другой объект с математической точки зрения, и он остаётся таким при любых обстоятельствах. А если вы будете упорствовать в своём стремлении считать его и тем, и тем, как вам удобнее, предупреждаю: за двумя зайцами погонишься — ни одного не поймаешь.

Это не единственная причина, по которой исторический порядок — не лучший выбор. Давайте проследим за гипотетическим процессом с самого начала: люди замечают, что они окружены другими животными — внутри животных, оказывается, есть органы — а органы, если присмотреться внимательнее, состоят из тканей — под микроскопом видно, что ткани состоят из клеток — клетки состоят из протеинов и прочих химических соединений — химические соединения состоят из атомов — атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов — а последние гораздо проще и понятнее животных, с которых всё началось, но были открыты на десятки тысяч лет позже.

Физику не начинают проходить с биологии. Тогда почему её нужно начинать с обсуждения лабораторных экспериментов и их результатов, которые даже в случае простейших опытов являются следствием множества сложных и запутанных процессов?

С одной стороны, я могу понять, почему во главу угла ставится эксперимент. Мы же о физике говорим, в конце концов.

С другой стороны, давать студентам в руки сложный математический аппарат только для того, чтобы они могли проанализировать простой опыт — это уже чересчур. Программистов, например, сначала учат складывать две переменные, а только потом — писать многопоточные приложения; и плевать на то, что вторые «ближе к реальной жизни».

Классическая механика не следует явным образом из квантовой механики. Более того, классическая механика находится на гораздо более высоком уровне. Сравните атомы и молекулы с кварками: миллионы известных науке химических веществ, сотня химических элементов, и всего шесть кварков. Сначала лучше понять простое, а только потом переходить к сложному.

Наконец, я буду рассматривать квантовую механику со строго реалистической позиции — наш мир является квантовым, наши уравнения описывают территорию, а не её карту, и привычный нам мир неявным образом существует в квантовом мире. Если среди моих читателей есть антиреалисты — пожалуйста, придержите свои комментарии. Квантовую механику гораздо труднее понять и представить, если сомневаешься в её справедливости. Я поговорю об этом подробнее в одной из следующих статей.

Я думаю, что той точки зрения, которую я буду излагать в этом введении, придерживается большинство физиков-теоретиков. Но вы всё же должны знать, что это не единственная возможная точка зрения, и немалая доля учёных сомневается в верности реалистической позиции. Хоть я и не собираюсь уделять внимание каким-либо другим теориям прямо сейчас, я чувствую себя обязанным упомянуть о том, что они есть.

Подводя итог, моя цель — научить вас думать как коренной житель квантового мира, а не как турист поневоле.

Покрепче вцепитесь в реальность. Мы начинаем.

Посмотрите на рис. 1. В точке

A

находится полупосеребрённое зеркало, а в точках

B

и

C

— два детектора фотонов.

Этот простой эксперимент в своё время заставил учёных поломать головы. Дело в том, что в половине случаев фотон, выпущенный в сторону зеркала, регистрировался первым детектором, а в половине — на вторым. И учёные — внимание, приготовьтесь смеяться — предполагали, что зеркало то пропускало фотон, то отражало его.

Ха-ха-ха, представьте себе зеркало, которое может само выбирать, пропускать ему фотон или не пропускать! Если вы и можете это представить, то все равно не делайте этого — а не то вы запутаетесь так же, как и те учёные. Зеркало ведёт себя абсолютно одинаково в обоих случаях.

Если бы мы попробовали написать компьютерную программу, симулирующую этот эксперимент (а не просто предсказывающую результат), она бы выглядела примерно так…

В начале программы мы объявляем переменную, хранящую в себе определённый математический объект — конфигурацию. Она представляет некое описание состояния мира — в данном случае, «один фотон летит в точку А».

На самом деле конфигурация описывается комплексным числом (напомню, что комплексные числа имеют вид (a + bi), где a и b — действительные числа, а i — мнимая единица, т. е. такое число, что i² = -1). Нашей конфигурации «фотон летит в точку A» тоже соответствует какое-то число. Пусть это будет (-1 + 0i). В дальнейшем мы будем называть число, соответствующее конфигурации, её амплитудой.

Введём ещё две конфигурации: «фотон летит из A в точку B» и «фотон летит из A в точку C». Мы пока не знаем амплитуды этих конфигураций; им будут присвоены значения в ходе выполнения программы.

Посчитать амплитуды можно, применив правило, по которому работает зеркало, к начальной конфигурации. Не вдаваясь в подробности, можно считать, что правило выглядит так: «умножить на 1, когда фотон пролетает; умножить на i, когда фотон отражается». Применим правило: амплитуда конфигурации «фотон летит в B» равняется (-1 + 0i) × i = (0 + -i), а амплитуда конфигурации «фотон летит в C» равняется (-1 + 0i) × 1 = (-1 + 0i). Других конфигураций на рис. 1 нету, так что мы закончили.

В принципе, можно считать «первый детектор регистрирует фотон» и «второй детектор регистрирует фотон» отдельными конфигурациями, но это ничего не меняет; их амплитуды будут равны амплитудам двух предыдущих конфигураций соответственно. (На самом деле их ещё надо домножить на множитель, равный расстоянию от A до детекторов, но мы просто предположим, что все расстояния в нашем эксперименте являются множителями единицы.)

Итак, вот конечное состояние программы:

  • «фотон летит в A»: (-1 + 0i)
  • «фотон летит из A в B»: (0 + -i)
  • «фотон летит из A в C»: (-1 + 0i)

И, возможно:

  • «сработал первый детектор»: (0 + -i)
  • «сработал второй детектор»: (-1 + 0i)

Разумеется, сколько бы раз мы ни запускали программу, конечное состояние останется таким же.
Теперь, по довольно сложным причинам, в которые я пока не буду вдаваться, не существует простого способа измерить амплитуду конфигурации. Состояние программы скрыто от нас.

Что же делать?

Хоть мы и не можем измерить амплитуду непосредственно, кое-что у нас есть — а именно, волшебная измерительная штуковина, которая может сообщить нам квадрат модуля амплитуды конфигурации. Другими словами, для амплитуды (a + bi) штуковина ответит числом (a² + b²).

Точнее было бы сказать, что волшебная штуковина находит всего лишь отношение квадратов модулей друг к другу. Но даже этой информации оказывается достаточно, чтобы понять, что происходит внутри программы и по каким законам она работает.

С помощью штуковины мы можем легко узнать, что квадраты модулей конфигураций «сработал первый детектор» и «сработал второй детектор» равны. А проведя некоторые более сложные эксперименты, мы сможем также узнать отношение самих амплитуд — i к 1.

Кстати, а что это за волшебная измерительная штуковина такая?

Ну, когда такие эксперименты проводят в реальной жизни, в качестве волшебной штуковины служит то, что эксперимент проводят пару тысяч раз и просто считают, сколько раз фотон оказался в первом детекторе, а сколько — во втором. Отношение этих значений и будет отношением квадратов модулей амплитуд. Почему это будет так — вопрос другой, гораздо более сложный. А пока можно пользоваться штуковиной и без понимания того, как да почему она работает. Всему своё время.

Вы можете спросить: «А зачем вообще нужна квантовая теория, если её предсказания совпадают с предсказаниями „бильярдной” теории?» Есть две причины. Во-первых, реальность, что бы вы там ни думали, всё-таки подчиняется квантовым законам — амплитуды, комплексные числа и всё такое. А во-вторых, «бильярдная» теория не работает для любого мало-мальски сложного эксперимента. Хотите пример? Пожалуйста.

На рис. 2 вы можете видеть два зеркала в точках B и C, и два полу-зеркала в точках A и D. Позже я объясню, почему отрезок DE проведён пунктиром; на расчётах это никак не скажется.

Давайте применим правила, которые мы уже знаем.

В начале у нас есть конфигурация «фотон летит в A», её амплитуда — (-1 + 0i).

Считаем амплитуды конфигураций «фотон летит из A в B» и «фотон летит из A в C»:

  • «фотон летит из A в B» = i × «фотон летит в A» = (0 + -i)
  • «фотон летит из A в C» = 1 × «фотон летит в A» = (-1 + 0i)

Интуитивно ясно, что обычное зеркало ведёт себя как половина полу-зеркала: всегда отражает фотон, всегда умножает амплитуду на i. Итак:

  • «фотон летит из B в D» = i × «фотон летит из A в B» = (1 + 0i)
  • «фотон летит из C в D» = i × «фотон летит из A в C» = (0 + -i)

Важно понять, что «из B в D» и «из C в D» — это две разные конфигурации. Нельзя просто написать «фотон летит в D», потому что от угла, под которым этот фотон приходит в D, зависит то, что с ним случится дальше.

Считаем дальше:

  • амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D», равная (1 + 0i):
    • умножается на i, и результат (0 + i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»
    • умножается на 1, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
  • амплитуда конфигурации «фотон летит из C в D», равная (0 + -i):
    • умножается на i, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
    • умножается на 1, и результат (0 + -i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»

Итого:

  • «фотон летит из D в E» = (0 + i) + (0 + -i) = (0 + 0i) = 0
  • «фотон летит из D в F» = (1 + 0i) + (1 + 0i) = (2 + 0i)

Отношение квадратов модулей амплитуд — 0 к 4; из расчётов следует, что первый детектор вообще не будет срабатывать! Поэтому-то отрезок DE и был проведён пунктиром на рис. 2.

Если бы полу-зеркала отражали или пропускали фотон случайным образом, оба детектора реагировали бы примерно с одинаковой частотой. Но это не совпадает с результатами экспериментов. Вот и всё.
Вы могли бы возразить: «А вот и не всё! Предположим, например, что когда зеркало отражает фотон, с ним происходит что-то такое, что второй раз он уже не отразится? И, наоборот, когда зеркало пропускает фотон, в следующий раз ему придётся отразиться.»

Во-первых, бритва Оккама. Не стоит выдумывать сложное объяснение, если уже существует простое (если, конечно, считать квантовую механику простой…) А во-вторых, я могу придумать другой опыт, который опровергнет и эту альтернативную теорию.

Поместим маленький непрозрачный объект между B и D, чтобы амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D» всегда равнялась нулю.

Теперь амплитуда конфигурации «фотон летит из D в F» равна (1 + 0i), а амплитуда конфигурации «фотон летит из D в E» — (0 + -i). Квадраты модулей равны 1. Это значит, что в половине случаев будет срабатывать первый детектор, а в половине — второй.

Это невозможно объяснить, если считать, что фотон — это маленький бильярдный шарик, который отражается от зеркал.

Дело в том, что об амплитуде нельзя думать, как о вероятности. В теории вероятностей, если событие X может произойти или не произойти, то вероятность события Z равна P(Z|X)P(X) + P(ZX)P(¬X), где все вероятности положительны. Если вы знаете, что вероятность Z при условии, что X случилось, равна 0.5, а вероятность X — 0.3, то полная вероятность Z по меньшей мере 0.15, независимо от того, что произойдёт, если X не случится. Не бывает отрицательных вероятностей. Возможные и невозможные события не могут аннулировать друг друга. А амплитуды — могут.

Вот пример неправильного мышления: «Фотон летит в B или в C, но он мог полететь по-другому, и это влияет на вероятность того, что он полетит в E…»

События, которые не случились, не имеют никакого влияния на мир. Единственное, что может повлиять на мир — это наше воображение. «О боже, эта машина чуть не сбила меня», думаете вы, и решаете уйти в монастырь, чтобы больше никогда не встречаться с опасными машинами. Но реально по-прежнему не само событие, а лишь ваше воображение, содержащееся в вашем мозгу — который можно из вас достать, пощупать и положить назад, чтобы убедиться, что он вполне реален.

Реально всё, что влияет на мир. (Если вы полагаете, что это не так, попробуйте дать определение слову «реальный».) Конфигурации и амплитуды непосредственно влияют на мир, так что они тоже реальны. Сказать, что конфигурация — это «то, что могло случиться», так же странно, как сказать, что стул — это «то, что могло случиться».

А что это тогда — конфигурация?

Продолжение следует.


На самом деле всё немного сложнее, чем вам могло показаться после прочтения этой статьи.
Каждая конфигурация описывает все частицы во Вселенной. Амплитуда — это непрерывное распределение по всему пространству конфигураций, а не дискретное, как мы рассматривали сегодня. И в самом деле, фотоны же не телепортируются из одного места в другое мгновенно, а каждое различное состояние мира описывается новой конфигурацией. В конце концов мы и до этого доберёмся.

Если вы ничего не поняли из этого абзаца, не беспокойтесь, я всё объясню. Потом.



читать вторую часть →

Автор: Eliezer Yudkowsky. Вольный и сокращённый (совсем чуть-чуть) перевод: я. Ссылки на оригиналы: lesswrong.com/lw/pc/quantum_explanations, lesswrong.com/lw/pd/configurations_and_amplitude.

Квантовая физика простыми словами | qil.ru

Квантовая физика – одна из самых сложных тем в физике. И хотя каждый человек имеет минимальное представление о квантовой физике, не каждый может это объяснить.

Что такое квантовая физика

Квантовая физика, как вы, возможно, уже знаете, — это изучение поведения вещества и энергии на самых маленьких уровнях — молекулярном, атомном, ядерном и даже меньшем. Эта отрасль физики появилась благодаря открытию в начале 20-го века того факта, что законы физики, регулирующие вопросы макроскопического масштаба, не функционируют в сфере микроскопических объектов. Квант – латинское слово, означающее, сколько. В современной физике он используется для обозначения наименьшей возможной дискретной единицы материи или энергии, которую можно прогнозировать и наблюдать различными способами.

Кто разработал квантовую теорию

Квантовая теория была впервые предложена Максом Планком в его статье об излучении черного тела, которую он представил Немецкому физическому обществу в 1900 году. Когда он пытался выяснить, почему излучение от светящегося тела меняет цвет с красного на оранжевый и синий, когда оно становится горячее, он обнаружил, что на этот вопрос можно ответить, предполагая, что энергия существует в отдельных единицах так, как материя существует и, следовательно, поддается количественной оценке.

“Квантовая физика сломала шаблон предыдущей структуры, классической физики, установив, что предсказания науки обязательно являются вероятностными.

– Брайан Грин

Чтобы доказать свою теорию, Планк написал математическое уравнение, включающее наименьшую возможную единицу энергии, которую он назвал «квантами». С помощью этого уравнения он успешно объяснил, что энергия от светящегося тела занимает разные области цветового спектра при разных дискретных уровнях температуры. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году за свою работу.

В 1905 году Эйнштейн добавил еще один кирпич к теории, предположив, что не только энергия, но и излучение были сделаны из квантов. В 1924 году физик Луи де Бройль предположил, что на атомном и субатомном уровне нет принципиального различия в составе и поведении вещества и энергии. Он сказал, что они оба ведут себя так, как будто они сделаны из волн или частиц. Эта теория называется принципом дуальности волны-частицы.

“Если квантовая физика вас не сбивает с толку, значит вы ее не понимаете.”

– Джон Уилер

В 1927 году физик Вернер Гейзенберг предположил, что невозможно измерить два дополнительных значения, таких как момент и положение субатомной частицы. Эта теория называется принципом неопределенности.

Позже другие физики, такие как Нильс Бор и Эрвин Шредингер, внесли важный вклад в эту область.

Каковы важные идеи в квантовой теории

Наиболее важные идеи, которые вы должны понимать в квантовой теории:

Все во вселенной квантовано. Величины, такие как энергия, масса, электрический заряд и импульс, происходят в дискретных квантовых единицах. Даже пространство и время происходят в дискретных квантовых единицах.

“Квантовая физика была и остается революционной, прежде всего потому, что требует введения радикально новых концепций для лучшего описания мира.”

– Ален Аспект

Поведение частиц на субатомном уровне не может быть описано классической (ньютоновской) физикой.
На субатомном уровне частицы существуют в разных квантовых конфигурациях, называемых «состояниями». Состояние характеризуется своими свойствами, такими как энергия и момент импульса.
Энергия электромагнитного излучения передается в дискретных квантовых пакетах, известных как фотоны.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно определить положение и импульс любых субатомных частиц с бесконечной точностью.

Квантовая физика для чайников. Квантовая механика

Автор Алёна Краева На чтение 13 мин. Опубликовано

Добро пожаловать на блог! Я очень рада Вам!

Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация.

Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:

И еще: Вам интересно узнать о чисто прикладном, практическом применении квантовой физики? Тогда читайте статью Что такое квантовый компьютер и для чего он нужен? Просто о сложном.

Что такое квантовая физика и квантовая механика?

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров: в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой — шар. Но в микромире (если вместо шара — атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве. В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком»  .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия), надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

Кстати, статью можно читать, как сказку, вместе с детьми. Они ещё не утратили наивную чистоту восприятия окружающего мира и часто могут понять физику, особенно квантовую, лучше взрослых.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной.

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися  контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если  ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон  летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Что такое спин и суперпозиция?

Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).

В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?

Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две  щели одновременно? Есть 2 варианта.

  • 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
  • 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)

В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.

Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто

Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:

Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.

Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.

Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно

То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно. Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то  конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики. Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Это и называется «коллапсом волновой функции». Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения  — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

Алёна Краева

P.S.1 Если Вам понравилась статья Квантовая физика для чайников, поделитесь ею.

P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. 

Квантовая физика кратко и простыми словами! Как понимать объективную реальность? | Ядро психологии и переговоров!

Квантовая физика для чайников. Объективная реальность что это? Просто о сложном! Условность происходящего. История квантовой механики. Декогеренция.

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Меня зовут Влад Ядро! Мне 45 лет. Профессиональный переговорщик, тренер и консультант по переговорам. Клинический психолог. Построил карьеру в продажах с "0" до генерального директора крупного торгового оптового бизнеса. С 2014 г собственный консалтинговый бизнес в области переговоров. Звоните! Пишите! Я Вам помогу решить сложности в коммуникациях с другими людьми!

Для лучшего понимания теории переговоров мы с Вами попытаемся ответить на сложные вопросы о природе объективной реальности.

Статья "Теория вероятности для начинающих. Байесовский метод.»

Квантовая физика. Условность происходящего.

Условно объективная реальность представлена для воспринимающего субъекта «ЗДЕСЬ И СЕЙЧАС». Объективная реальность в том виде, как ее понимает среднестатистический человек, далекий от квантовой физики, условна потому, что не доказана до настоящего времени ее безусловность. Так, эксперименты в квантовой физике перевернули представления многих сторонников безусловной объективности реальности. Как осуществляется выбор системы при наличии наблюдателя можно увидеть в экспериментах, а каковы причины, заставляющие систему менять свое состояние в зависимости от позиции наблюдателя - это остается без ответа, только гипотезы.

Необходимость углубляться в сложные вопросы квантовой теории продиктована еще одной сложнейшей проблемой современности, взаимосвязь мозга и сознания человека. Возможно кросс-подход окажется более правильным и поможет найти ответы.

Существуют интересные вопросы, которые Вы наверняка уже слышали:

- Собака виляет своим хвостом или хвост виляет собакой?

- Улыбка порождает радость или радость порождает улыбку?

- Мозг порождает сознание или сознание порождает мозг?

- Что первично: материя или дух?

На некоторые из них можно вполне определенно ответить уже сейчас, а на другие ответа нет, поскольку отсутствует парадигма, всеобъемлющая концепция, в рамках которой возможны ответы, не противоречащие обратной связи условной объективной реальности.

Хотя, для многих из нас представляется типичным ответ: конечно, собака виляет хвостом, а мозг порождает сознание. Улыбаемся тогда, когда уже есть радость. При этом человек, ответивший подобным образом, будет находится в полной уверенности, потому что так подсказывает ему пресловутый здравый смысл и/или интуиция. Подчас, это самые страшные враги всего нового, что лежит за плоскостью нашего сознательного фокуса. К тому же, очевидные ответы весьма часто вовсе не очевидны. И в тоже время они наши «большие друзья», позволяющие эволюционно адаптироваться к текущей реальности.

Некий наблюдатель сможет представить иные доводы. Например, когда у индивида удаляют часть мозга, в особенности корковые структуры, то сознание, понимаемое как осознание, исчезает как «луч солнца в черной дыре». А когда человек спит или находится под наркозом, т.е. пребывает не в сознании, то его мозг функционирует без нарушений. Анатомически мозг действительно на месте, а вот что происходит с ним в этот момент, какова его электрическая активность? И почему сознательная целевая когнитивная деятельность вызывает очаги возбуждения по всему мозгу, наблюдается гамма – активность, бета-активность, в то время, как мозг человека в состоянии глубокой медитации показывает не только другую картину на электроэнцефалограмме, например, тета - ритмы или дельта - ритмы, а и иное распределение по масштабу задействованных нейрональных групп?

Вряд ли можно пока объяснить механизм сознания через функционирование его материального субстрата – мозга. Накопленный научный материал позволяет проводить достоверные параллели между нейрофизиологией и психическими процессами, при этом сознание как осознание остается вне общего понимания. В настоящее время ученые по всему миру работают над созданием единой теории, объединяющей сознание и мозг. Возникают гипотезы, которые более или менее красиво пытаются устранить подобную научную дихотомию, при этом потребуется время, чтобы научное сообщество смогло консолидировано принять какую – либо, опираясь на эмпирическую доказательную базу, сложность получения которой является в том числе тормозом на пути согласия.

Статья «Сознание человека»

Статья "Как человек познает мир? Коннектом мозга. Когнитом Анохина."

СМОТРЕТЬ ВИДЕО "Переговоры с закупщиком. Как договориться со сложным клиентом?!"

Квантовая физика. История квантовой механики.

Нильс Бор и Вернер Гейзенберг.

В 1920 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали ключевые положения квантовой механики. Данная интерпретационная версия на протяжении многих лет была самой популярной в мире. Ядром ее является волновая функция – математическая функция. В ней присутствует информация о всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она может находиться. Суть ее в том, что узнать состояние системы наверняка возможно только через наблюдение. Именно наблюдение квантовой системы переводит ее из многих состояний в одно, т. е. она становится традиционной. Волновая функция системы позволяла произвести математические расчеты, которые определяли вероятность обнаружения системы в каком-либо состоянии.

Альберт Эйнштейн.

Данная теория далеко не всеми учеными разделялась. Альберт Эйнштейн критически отзывался о ней. Его знаменитое выражение: «Бог не играет в кости со Вселенной» отражало его позицию. Менее известно выражение создателя квантовой механики Нильса Бора: «Альберт, перестань же ты, наконец, указывать богу, что ему делать!». Так, известен ЭПР-парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. Данный парадокс был сформулирован в 1935 году. Он построен на мысленном эксперименте. Эйнштейн играл роль оппонента для создателей квантовой механики и тем самым внес вклад в ее развитие. Ирония судьбы в том, что Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике не за открытие теории относительности, а за раскрытие феномена фотоэлектрического эффекта, в основе которого были квантовые представления, которые впоследствии стали настолько революционными в науке.

Эрвин Шредингер.

Эрвин Шредингер с целью продемонстрировать парадоксы, существующие в копенгагенской теории, предложил мысленный эксперимент. Этот знаменитый на весь мир эксперимент называется «парадокс кота Шредингера». Этот мысленный эксперимент показывает насколько существенная граница проходит между привычным классическим миром, к которому привык человек и квантовым миром, квантовой реальностью.

Итак, берем ящик, помещаем внутрь него кота, нестабильный (распадающийся) атом, ампулу с ядом, автоматическое устройство, которое разрушит ампулу под влиянием нестабильного атома, когда он распадется. В процессе нахождения кота в ящике атом распадается, при этом наблюдатель не знает, жив кот внутри ящика или нет, т.к. доступа нет. Наблюдатель знает время периода полураспада, а время полного распада не известно и при этом нет никакой возможности понять, распался атом полностью или нет, пока ящик закрыт. У наблюдателя нет ответа на вопрос: жив кот или нет в тот или иной промежуток времени. Первоначально атом не является полностью распавшимся, а впоследствии атом переходит в состояние суперпозиции.

Суперпозиция является суммой двух и более векторов состояний в квантовой механике, каждый из которых в свою очередь - это одно из состояний. Первое состояние – нераспавшийся атом и кот жив, второе состояние – вектор – распавшийся атом – кот мертв. Первый вектор уменьшается во времени, а второй увеличивается. Кот пребывает в состоянии суперпозиции, т.е. одновременно мертв и одновременно жив. Когда наблюдатель откроет ящик, то, конечно кот не будет одновременно жив и мертв, а будет находиться в одном из состояний. Если атом распадется, ампула будет разрушена, кот умрет, а если атом не распадется, ампула останется сохранной, кот будет живым. В этом и состоит парадокс. Пока наблюдатель не осознал реальность, она находится в суперпозиции, а когда осознал - реальность становится одним из векторных состояний. До момента осознания квантовый мир состоит из двух параллельных миров, альтернативных друг для друга.

Юджин Вигнер.

Еще один мыслительный парадокс, описанный Вигнером, так и называется «Парадокс друга Вигнера». Ученый предложил ввести еще один элемент – передача информации от друга экспериментатора. Друг проводит эксперимент, в результате которого видит вспышку света. До того момента, пока Вигнер не знает результатов эксперимента, он интерпретирует состояние системы как суперпозицию. После того, как друг сообщил Вигнеру информацию по зарегистрированной вспышке света, система для Вигнера становится классической. При этом сам Вигнер не был непосредственным участником эксперимента. Его сознание выбрало данную альтернативу, которая была заранее выбрана как альтернатива его другом. Модель мира Вигнера оказалась смоделированной им в результате его сознательного выбора модели мира его друга. Альтернатива в альтернативе, модель в модели.

Джон фон Нейман.

В копенгагенской интерпретации предполагалось, что на каждом временном отрезке, когда принимается решение, происходит событие, человек случайным образом выбирает тот или иной альтернативный мир, который он в состоянии фиксировать своими сенсорными системами, поэтому человек и не в состоянии сенсорно ощущать и воспринимать другие миры. Он всегда имеет дело с одним классическим миром. Такое представление является коллапсом волновой функции или редукцией состояния – выбор одного вектора состояния и исчезновение всех остальных векторов. Математически этот состояние было описано фон Нейманом. Это и позволяло на практике применять квантовую механику для решения квантовых механических задач. В этом ее относительная простота и ценность. Остальные миры просто перестают существовать. Это изменение происходит одномоментно и не имеет обратной силы, т.е. не может обратиться в исходное состояние. Соответственно человек, ограниченный одним классическим миром, фактически оказывается заложником и живет в иллюзии.

Заказывайте мой тренинг "Переговоры - Партнерство"

Квантовая физика. Декогеренция.

Впоследствии появилась теория декогеренции, которая нивелировала редукцию. Измерение состояния системы происходит в результате взаимодействия измерительного прибора и измеряемого объекта – другой системы. Измерительный прибор, в том числе система, которая окружает измеряемый объект являются измерительной системой. Во время взаимодействия измерительной системы и измеряемого объекта происходит запутывание состояния двух систем, т.е. появляется квантовая корреляция. При этом, состояние измеряемой системы преобразуется, она переходит из «чистого состояния» в «смешанное состояние». Вместо суперпозиции, где суммируются векторы, возникает смешение векторов, т.е. они никуда не исчезают, как это было представлено в копенгагенской интерпретации. Вектора остаются и происходит их перемешивание. Сами вектора состояний претерпевают изменения с момента чистого состояния измеряемой системы как суперпозиции к моменту взаимодействия с измерительной системой. Измеряемая система подвергается декогеренции, т.е. измеряемая система теряет квантовую когерентность. В 80-ых годах 20 века - это явление стало популярным и обсуждаемым в академических кругах. С 90 – ых годов обстоятельно описывается в научной литературе. В результате квантовая механика лишилась редукции состояний.

Декогеренция является проблемой, из-за которой срок разработки и запуска квантового компьютера раз за разом отодвигался. Квантовые исчисления неизбежно приводят к декогеренции, происходит смешение кубитов. Идея создания квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в далеком 1981 году. Но только в последние два года миру были анонсированы квантовые компьютеры, мощность которых на текущий момент уже составляет 50 кубитов и даже 72 кубита (март 2018 г  - Google). Однако это не означает, что теперь «БОЛЬШОЙ БРАТ» (Джордж Оруэлл «1984») или «ОКО САУРОНА» (Дж. Р. Р. Толкин) сможет за секунды определить, где находится любой живущий человек на планете. Связано это с квантовым ошибками, шумом, в результате чего возникают неточности в расчетах. И пока эта проблема не решена. А значит МЫ (человечество) все еще находимся на неопределённом расстоянии до настоящего прорыва в области информационных технологий.

На сегодня это все! Продолжение про условно объективный мир и виртуальную реальность читайте здесь:

Статья "Сознание человека и квантовая физика. Какая связь?"

Статья "Виртуальная реальность человека. Субъективная картина мира."

УМНЫЕ КНИГИ по современной поведенческой психологии, теории принятия решений, когнитивным иллюзиям, мотивации, лидерству, саморазвитию, ошибкам в мышлении Вы можете БЕСПЛАТНО скачать с моего сайта здесь: https://yakimovvlad.ru/knigi-psixologiya

Друзья, ставьте лайки, Ваша поддержка - это мощная штука, сохраняет мотивацию распространять знания бесплатно! И пишите комментарии! Это сложная тема и Ваше мнение заслуженно будет вкладом в образование людей! Очень многие читают комментарии и им это нравится, потому что разность мнений создают плодородную почву для ответов на вопросы о нашем замечательном мире!

Пожалуйста делитесь в социальных сетях этой статьей, помогите мне распространять знания БЕСПЛАТНО, ведь кому-то это может помочь в жизни справиться со сложной ситуацией! Спасибо, Вам!

С Вами был Ядро Владислав, тренер по переговорам! Пока и до встречи!

аспирант ИТМО Дмитрий Царёв ― о работе физика-теоретика и о том, что общего у квантовой физики и спорта высших достижений

Ученые ИТМО совместно с коллегами из Тайваня опубликовали исследование, которое может лечь в основу сверхточных метрологических приборов, которые превзойдут детектор LIGO, сумевший засечь гравитационные волны. В интервью ITMO.NEWS один из авторов работы, аспирант ИТМО Дмитрий Царёв рассказывает о том, как шла работа, и перспективах исследований.

Ваша недавняя работа посвящена квантовой метрологии. Не могли бы вы рассказать для начала, что это за раздел науки?

Перед тем как углубляться в дебри квантовой науки, я приведу простой пример из спорта высших достижений. Я имею в виду прыжки с шестом, которые вполне можно отнести к предельным возможностям человека. Здесь важна не только подготовка спортсмена (предельная по всем параметрам), но и правильно выбранный шест, который сделан из подходящего материала ― он должен быть упругим и не ломаться. Также большую роль играет рассчитанный до мелочей прыжок, и … удача. Так как это все должно сойтись в одной точке и в одно время, то установить новый мировой или олимпийский рекорд крайне сложно. Они тут, как правило, держатся долго (вспомним легендарного Сергея Бубку).

То же самое можно сказать и про квантовую метрологию. Это наука об измерении различных физических величин с такой высокой точностью, какую только допускают фундаментальные ограничения, определяемые квантовыми флуктуациями, которые в принципе неустранимы. Что это значит? В квантовой физике действует принцип неопределенности Гейзенберга, который можно сформулировать так: если у вас есть квантовая частица, то в каждый момент времени вы можете с уверенностью указать, либо где она находится, либо как она движется, но не оба параметра одновременно. То есть координата частицы и ее импульс подчинены принципу неопределенности.

Источник: shutterstock.com

Это фундаментальный закон природы, который мы не можем «отменить» ― мы можем только им правильно пользоваться и управлять. Управлять в квантовом мире ― это значит использовать такие состояния материальных объектов, которые нам «выгодны» с точки зрения измерения описывающих их величин. Именно на этом и построена квантовая метрология и сенсорика. Понять, почему так устроен мир и что сделать на практике, означает сделать следующий шаг в развитии квантовых технологий и понимании физики вообще.

Теперь, что касается измерений. Например, когда мы хотим измерить скорость объекта, мы используем лидар. Это прибор наподобие радара, только с оптическим излучением вместо радиоволн, который любят использовать инспекторы ДПС. По своей сути лидар является интерферометром. Он излучает два лазерных пучка, один опорный, он остается в приборе, а другой отправляется по воздуху, отражается от объекта и возвращается обратно.

Когда в приборе эти два пучка смешиваются, или, говоря корректнее, интерферируют, то получается картина, позволяющая сделать вывод о скорости объекта. После этого на экране отображается цифра, которую показывают водителю, если он превысил скоростной режим. И подобных приборов, сопровождающих нашу повседневную жизнь, очень много. Их стоимость определяется, по сути, точностью, с которой они могут проводить такие измерения.

Источник: shutterstock.com

А при чем здесь квантовая физика?

Квантовая метрология ― это как спорт высших достижений. Считается, что все технические несоверешенства даже самой совершенной измерительной аппаратуры преодолены; измерения проводят на уровне квантовых шумов. Точность измерения любого интерферометра фундаментально зависит от того, какое квантовое состояние мы будем использовать в качестве исходного.

Классический подход заключается в том, чтобы посветить на вход прибора традиционным (когерентным) лазерным источником света. Это известная процедура, она надежна, но она ограничивает точность наших измерений так называемым стандартным квантовым пределом. Пока мы используем такие «классические» состояния, мы не можем преодолеть этот предел, как бы мы ни улучшали прибор технически. Это потолок точности. В мире вокруг нас такой точности хватает «почти» всегда, и ничего квантового тут, можно сказать, нет.

Однако за последние десятилетия было неоднократно предсказано теоретически и экспериментально, что можно преодолеть эту отметку и попробовать достичь нового «рекорда» ― так называемого предела Гейзенберга. Но для этого надо использовать неклассические, запутанные (entangled) состояния. Что это такое?

Источник: shutterstock.com

Предположим, у нас есть квантовая частица ― двухатомная молекула с нулевым спином, она распадается на две частицы ― два атома с ненулевым спином каждый, которые начинают отдаляться друг на друга в разные стороны. Так вот, если мы измерим какой-то параметр у одной из них, то мы «автоматически» узнаем этот же параметр у другой частицы, исходя из законов сохранения. По той причине, что они квантовым образом запутаны. Разделенные в пространстве, они остаются единым квантовомеханическим объектом.

Например, ориентация спина атомов может быть любая, и результат его измерения носит вероятностный (случайный) характер. Однако, если мы измерим ориентацию спина одного атома, то спин второго как бы «подстроится» под этот результат, исходя из того, что суммарный спин был равен нулю. Свойство запутанности важно во всех приложениях квантовых технологий, которые основаны на так называемом квантовом превосходстве устройств, по сравнению с их классическими аналогами: в квантовых вычислениях, квантовых коммуникациях и криптографии. Важен он и для квантовой метрологии.

Дело в том, что, во-первых, любое измерение в квантовой физике имеет разрушающий характер. Частица, которую мы измеряем, прекращает свое существование, поглощается детектором. Однако вторая частица продолжает движение, и теперь мы о ней кое-что знаем за счет измерения первой. Во-вторых, явление запутанности позволяет повышать точность измерений.

Каким образом?

Мы можем эти частицы пустить по каналам (плечам) интерферометра и таким образом за счет квантовой интерференции улучшить видность результирующей интерференционной картинки, которая как раз подчиняется следующему сугубо квантовому ограничению ― пределу Гейзенберга для измерения разности фаз в каналах интерферометра. Он квадратично (по числу частиц) точнее стандартного квантового предела, и его достижение ― цель современной квантовой метрологии. Однако даже его можно преодолеть, измеряя параметры, нелинейно зависящие от числа частиц, что мы в том числе показали в нашей работе.

Квантовая запутанность. Источник: shutterstock.com

Сложность всего этого в том, что необходимо уникальное запутанное состояние, содержащее сразу много частиц. Запутать две частицы ― не проблема. Можно запутать три, четыре и даже пять частиц. То есть до пяти частиц одновременно как бы находятся и в первом, и во втором канале интерферометра. Понятно, что на самом деле они в каком-то одном из них, но законы квантовой физики обязывают нас к тому, что до самого измерения мы ничего определенного сказать не можем и исходим из того, что они находятся в суперпозиции, то есть в двух каналах сразу.

Такие состояния называют N00N-состояниями, то есть N частиц в одном плече и ноль ― в другом, и наоборот, и это все одновременно! Такое состояние позволяет достичь предел Гейзенберга на любом двухканальном устройстве: лидаре, гироскопе, интерферометре. Но получить его в эксперименте для большого числа частиц пока не удавалось. Более того, даже в теории прогноз пессимистичен: небольшие потери в интерферометре сводят на нет все магические свойства таких состояний.

И как быть?

Вот, здесь к нам пришла удача! Мы с моим научным руководителем, профессором Александром Алоджанцем некоторое время назад обратили внимание на то, что квантовые солитоны, которые давно хорошо известны и в оптике, и в квантовых коммуникациях, и в науке о материалах, в силу своих нелинейных свойств могут сильно помочь. При определенных условиях их запутанные состояния остаются весьма устойчивыми к потерям, и это мы доказываем в нашей работе, опубликованной в ноябре в журнале New Journal of Physics. Конечно, мы чуть-чуть проигрываем в точности (чудес в природе не бывает), но этот проигрыш не критичен, мы по-прежнему находимся в самой близи предела Гейзенберга.

Иллюстрация из статьи

Уточните, как это все работает, непосредственно в вашей работе, опубликованной в журнале New Journal of Physics?

Мы придумали способ запутывать до тысячи частиц. Для этого мы используем солитоны конденсата Бозе-Эйнштейна. Тут, наверное, нужны пояснения. Во-первых, Бозе-конденсат это особое состояние материи, при котором вещество проявляет квантовые свойства на макроскопическом уровне. Грубо говоря, у нас есть несколько сотен частиц, которые в виде конденсата движутся в пространстве как одна огромная квантовая частица. Такое состояние на сегодня получить стало возможно при очень низких температурах, меньше одного Кельвина. Хотя в 2006 году такое состояние наблюдали в полупроводниковых структурах при температуре в несколько Кельвинов, а в 2013 ― даже и при комнатной температуре в 300 Кельвинов (27 градусов Цельсия).

Теперь о солитоне ― это достаточно устойчивый частице-подобный объект. Запутав два солитона мы можем рассматривать их, условно, как две макрочастицы, получив одновременно запутанность сотен тех частиц, из которых они состоят. Это и есть многочастичное N00N-состояние. Число частиц здесь может доходить до тысячи! Сами посудите, пять и 1000 очень большой прогресс.

Иллюстрация из статьи

А были ли проведены какие-то эксперименты?

Нет. Но в работе все расчеты сделаны исходя из сегодняшних экспериментальных возможностей. Мы рассматриваем конденсат лития; это вещество популярно у экспериментаторов. Частицы лития имеют очень важное свойство ― они притягиваются друг к другу, без этого невозможно сформировать солитон. Экспериментаторы умеют получать солитоны конденсатов и умеют их запутывать. Пока никому не приходила в голову идея использовать все это в квантовой метрологии.

А какие горизонты открывает эта фундаментальная работа? Много ли стран занимается таким «спортом высших достижений»?

Да, это фундаментальная работа, но результаты весьма прикладные. Я убежден, что систему, описанную в нашей работе, можно довести до уровня «прибора». Это, во-первых, метрология с холодными атомами, которая есть в России, но требует серьезной экспериментальной доработки. Здесь могут быть существенно улучшены точностные характеристики так называемых «атомных часов», то есть метрологические стандарты частоты и времени.

Но есть и более интересные продолжения. Например, использовать такую технологию в интерферометрах Майкельсона с оптическими полями для увеличения точности регистрации гравитационных волн и исследований галактического пространства. Наше предложение позволит построить детектор с предельной на сегодняшний день точностью измерений. Где будет использоваться такой «прибор»?

Детектор LIGO. Источник: wired.com

В настоящее время в мире есть несколько крупных проектов из разряда mega-science по регистрации гравитационных волн. Я читал об «американском» проекте LIGO, знаю также «японский» ― KAGRA, в котором участвует группа из Тайваня, с которой мы сотрудничаем. Я неспроста использую «кавычки»: на самом деле там идет сотрудничество многих стран, под одним «зонтиком».

А как же Россия?

Это сложный, и, к сожалению, не только научный, вопрос. Нужны как минимум гигантские деньги. Вы же понимаете, что объяснить условному чиновнику, зачем нужен квантовых компьютер, гораздо проще, чем необходимость исследований гравитационных волн, а также космоса в широком смысле этого слова. Хотя, именно в этом заключается будущее устремление человечества, как мне представляется. Да, кстати, масштабный квантовый компьютер без участия квантовой метрологии тоже не сделать. Но это уже другая история.

Вы не только опубликовали статью, но и представили основанный на ней доклад на Всероссийском научном форуме. Расскажите об этом подробнее.

Форум называется «Наука будущего наука молодых». Он проходил в Москве в гибридном формате, москвичи собрались очно, остальные выступали через Zoom. Пришлось пройти большой конкурс проектов и суровый отбор. Я изложил на бумаге то, что рассказал вам сейчас, отправил, рецензенты вслепую, не зная моего имени и аффилиации, выбрали мою работу в числе победителей. Далее в блиц-формате на самом форуме мы выступали по три минуты с нашими докладами. Соответственно тут была задача больше не рассказать о работе, а показать свою мотивированность, понимание предмета, умение доносить сложные мысли простыми словами, ну и некоторый артистизм.

Диплом Дмитрия Царёва с форума «Наука будущего ― наука молодых»

А какую реакцию вызвал доклад?

В каждой секции было 40-45 человек, из них отобрали 10 и через три дня мы выступали уже с полноценными докладами на 10 минут. К сожалению, я растянул речь на все 10 минут, поэтому времени на вопросы не осталось. А вопросы были, и это хороший знак. Да и если судить по лицам, слушателям было интересно. Тема на самом деле очень интересная, но зачастую непонятная человеку со стороны. Поэтому квантовая физика не очень популярный предмет. Но тут аудитория была подготовленная, и всем вроде понравилось. Ну и присуждение мне второго места в секции «Цифровые технологии» говорит само за себя.

Вы сами сказали, что квантовая физика не самый популярный предмет. А почему вы сами ее выбрали?

Все благодаря моему научному руководителю на втором курсе бакалавриата, когда я учился во Владимирском государственном университете, Александр Павлович Алоджанц преподавал там квантовую физику. Он настолько увлек меня своей лекцией, что я тогда принял решение углубиться именно в эту область. Я очень благодарен Александру Павловичу, он помог мне стать тем, кто я есть. Как видите, у нас с тех пор весьма плодотворный коллектив.

Именно Александр Павлович предложил вам поступать в ИТМО после своего переезда в Петербург?

Да. Сначала в магистратуру, а потом в аспирантуру.

Александр Алоджанц

Но все же чем именно вас так привлекла квантовая физика?

Всем нам хочется верить в чудеса, чтобы мир был наполнен магией. Квантовый мир наполнен магией, то, что происходит у нас под носом на микроскопическом уровне, настолько не похоже на привычные нам вещи, что иначе как чудесами это не назвать. Например, нелокальность объект может находиться в двух местах одновременно, это как? Это необъятно и это мир в себе. Поэтому я его изучаю.

Вы думаете продолжить научную карьеру?

Да, безусловно

А что можете сказать о самом Университете ИТМО?

ИТМО великолепный университет. Взять, к примеру, лаборатории. Понятно, что для теоретика инструменты это бумага и ручка… и мусорная корзина для неудавшихся моделей. Но я видел экспериментальные установки, они потрясающие ― мощные, современные, дорогие. Однако университет ― это, в первую очередь, люди. Профессорско-преподавательский состав ИТМО очень сильный: каждый знает свой предмет, все на своем месте, и они умеют обучать. Меня, во всяком случае, научили здесь очень многому, и я благодарен Университету ИТМО за это.

Перейти к содержанию

Что такое квантовая механика? Квантовая физика: определение, объяснение

Квантовая механика - это раздел физики, относящийся к очень малому.

Это приводит к очень странным выводам о физическом мире. В масштабе атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение вещей с повседневными размерами и скоростями, перестают быть полезными. В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время.Однако в квантовой механике объекты вместо этого существуют в тумане вероятностей; у них есть определенный шанс оказаться в точке A, другой шанс оказаться в точке B и так далее.

Три революционных принципа

Квантовая механика (КМ) развивалась на протяжении многих десятилетий, начиная с набора спорных математических объяснений экспериментов, которые математика классической механики не могла объяснить. Это началось на рубеже 20-го века, примерно в то же время, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, отдельную математическую революцию в физике, описывающую движение вещей с высокими скоростями.Однако, в отличие от теории относительности, происхождение КМ нельзя приписать одному ученому. Напротив, несколько ученых внесли свой вклад в создание трех революционных принципов, которые постепенно получили признание и экспериментальную проверку в период с 1900 по 1930 год. Это:

Квантованные свойства : Некоторые свойства, такие как положение, скорость и цвет, могут иногда встречаться только в конкретные, установленные суммы, очень похожие на циферблат, который «щелкает» от номера к номеру. Это поставило под сомнение фундаментальное предположение классической механики, согласно которому такие свойства должны существовать в гладком непрерывном спектре.Чтобы описать идею о том, что некоторые свойства «щелкают», как циферблат с определенными настройками, ученые придумали слово «квантованный».

Частицы света : Иногда свет может вести себя как частица. Первоначально это было встречено резкой критикой, поскольку противоречило 200-летним экспериментам, показавшим, что свет ведет себя как волна; очень похоже на рябь на поверхности спокойного озера. Свет ведет себя аналогичным образом в том смысле, что он отражается от стен и огибает углы, а гребни и впадины волны могут складываться или сокращаться.Добавленные гребни волн приводят к более яркому свету, а волны, которые нейтрализуют, создают темноту. Источник света можно представить себе как шар на палке, который ритмично опускают в центр озера. Излучаемый цвет соответствует расстоянию между гребнями, которое определяется скоростью ритма мяча.

Волны материи : Материя также может вести себя как волна. Это противоречит примерно 30-летним экспериментам, показывающим, что материя (например, электроны) существует в виде частиц.

Квантованные свойства?

В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался объяснить распределение цветов, излучаемых по спектру при свечении раскаленных докрасна и раскаленных добела объектов, таких как нити лампочек. Придумав физический смысл уравнения, которое он вывел для описания этого распределения, Планк понял, что оно подразумевает, что испускаются комбинации только определенных цветов (хотя и большого их количества), особенно тех, которые были целыми числами, кратными некоторому базовому значению.Каким-то образом цвета были квантованы! Это было неожиданно, потому что свет воспринимался как волна, а это означало, что значения цвета должны быть непрерывным спектром. Что может запрещать атомам создавать цвета между этими кратными целыми числами? Это казалось настолько странным, что Планк считал квантование не более чем математическим трюком. Согласно Хельге Крагу в своей статье 2000 года в журнале Physics World «Макс Планк, упорный революционер»: «Если в декабре 1900 года в физике произошла революция, казалось, ее никто не заметил.Планк не был исключением… »

Уравнение Планка также содержало число, которое позже станет очень важным для будущего развития КМ; сегодня оно известно как« Постоянная Планка ».

Квантование помогло объяснить другие загадки физики. Эйнштейн использовал гипотезу квантования Планка, чтобы объяснить, почему температура твердого тела изменилась на разные величины, если вы поместили такое же количество тепла в материал, но изменили начальную температуру.

С начала 1800-х годов наука о спектроскопии показала, что разные элементы излучают и поглощают свет определенных цветов, называемых «спектральными линиями».«Хотя спектроскопия была надежным методом определения элементов, содержащихся в объектах, таких как далекие звезды, ученые были озадачены вопросом , почему каждый элемент дает именно эти линии. В 1888 году Йоханнес Ридберг вывел уравнение, описывающее спектральные характеристики. линии, испускаемые водородом, хотя никто не мог объяснить, почему это уравнение работает. Это изменилось в 1913 году, когда Нильс Бор применил гипотезу Планка о квантовании к «планетарной» модели атома Эрнеста Резерфорда 1911 года, которая постулировала, что электроны вращаются вокруг ядра так же, как и планеты вращается вокруг Солнца.Согласно Physics 2000 (сайт Университета Колорадо), Бор предположил, что электроны ограничены «особыми» орбитами вокруг ядра атома. Они могли «прыгать» между специальными орбитами, и энергия, производимая прыжком, вызвала свет определенных цветов, наблюдаемых в виде спектральных линий. Хотя квантованные свойства были изобретены как простой математический трюк, они объяснили так много, что стали основополагающим принципом QM.

Частицы света?

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света», в которой он представил свет, движущийся не как волну, а как своего рода «кванты энергии».Эйнштейн предположил, что этот пакет энергии может «поглощаться или генерироваться только целиком», в частности, когда атом «прыгает» между квантованными частотами колебаний. Это также применимо, как будет показано несколько лет спустя, когда электрон «скачки» между квантованными орбитами. Согласно этой модели, «кванты энергии» Эйнштейна содержали разность энергий скачка; при делении на постоянную Планка эта разность энергий определяла цвет света, переносимого этими квантами. Представляя свет, Эйнштейн предложил взглянуть на поведение девяти различных явлений, включая определенные цвета, которые, по описанию Планка, испускаются нитью накаливания лампочки.Он также объяснил, как определенные цвета света могут выбрасывать электроны с металлических поверхностей - явление, известное как «фотоэлектрический эффект». Однако Эйнштейн не был полностью оправдан в своем стремлении к этому, сказал Стивен Классен, доцент физики Виннипегского университета. В статье 2008 года «Фотоэлектрический эффект: реабилитация истории для физического класса» Классен утверждает, что кванты энергии Эйнштейна не являются необходимыми для объяснения всех этих девяти явлений. Определенные математические трактовки света как волны все еще способны описывать как определенные цвета, которые, как описал Планк, излучаются нитью накаливания лампочки, так и фотоэлектрический эффект.Действительно, в спорном присуждении Эйнштейну Нобелевской премии 1921 года Нобелевский комитет только признал «его открытие закона фотоэлектрического эффекта», которое конкретно не основывалось на понятии квантов энергии.

Примерно через два десятилетия после статьи Эйнштейна термин «фотон» получил широкое распространение для описания квантов энергии благодаря работе Артура Комптона 1923 года, который показал, что свет, рассеянный электронным лучом, меняет цвет. Это показало, что частицы света (фотоны) действительно сталкивались с частицами материи (электронами), что подтвердило гипотезу Эйнштейна.К настоящему времени стало ясно, что свет может вести себя и как волна, и как частица, положив "дуальность волны-частицы" света в основу КМ.

Волны материи?

С момента открытия электрона в 1896 году постепенно накапливались доказательства того, что вся материя существовала в форме частиц. Тем не менее, демонстрация дуальности света волна-частица заставила ученых задаться вопросом, может ли материя действовать только только как частицы. Может быть, дуализм волна-частица может звучать справедливо и для материи? Первым ученым, добившимся существенного прогресса в этом рассуждении, был французский физик Луи де Бройль.В 1924 году де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут иметь волновые характеристики и что волны могут проявлять характеристики, подобные частицам. Затем, в 1925 году, два ученых, работая независимо и используя разные направления математического мышления, применили рассуждения де Бройля, чтобы объяснить, как электроны вращаются в атомах (явление, которое было необъяснимо с помощью уравнений классической механики). В Германии физик Вернер Гейзенберг (вместе с Максом Борном и Паскуалем Джорданом) добился этого, разработав «матричную механику».Австрийский физик Эрвин Шредингер разработал аналогичную теорию, названную «волновой механикой». В 1926 году Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны (хотя швейцарский физик Вольфганг Паули отправил Джордану неопубликованный результат, показывающий, что матричная механика является более полной).

Гейзенберг -Модель Шредингера атома, в которой каждый электрон действует как волна (иногда называемая «облаком») вокруг ядра атома, заменила модель Резерфорда-Бора. Одним из условий новой модели было то, что концы волна, которая образует электрон, должна встретиться.В "Квантовой механике в химии, 3-е изд." (W.A. Benjamin, 1981) Мелвин Ханна пишет: «Введение граничных условий ограничило энергию дискретными значениями». Следствием этого условия является то, что разрешено только целое количество гребней и впадин, что объясняет, почему некоторые свойства квантованы. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Резерфорда-Бора, атомные орбитали имеют множество форм - от сфер до гантелей и ромашек.

В 1927 году Уолтер Хайтлер и Фриц Лондон продолжили развитие волновой механики, чтобы показать, как атомные орбитали могут объединяться в молекулярные орбитали, эффективно показывая, почему атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Это была еще одна проблема, которую нельзя было решить с помощью математики классической механики. Эти открытия дали начало области «квантовой химии».

Принцип неопределенности

Также в 1927 году Гейзенберг внес еще один важный вклад в квантовую физику.Он рассудил, что, поскольку материя действует как волны, некоторые свойства, такие как положение и скорость электрона, являются «дополнительными», то есть существует предел (связанный с постоянной Планка) того, насколько хорошо может быть известна точность каждого свойства. Согласно тому, что получило название «принцип неопределенности Гейзенберга», было рассмотрено, что чем точнее известно положение электрона, тем менее точно может быть известна его скорость, и наоборот. Этот принцип неопределенности применим и к объектам повседневного размера, но он не заметен, потому что неточность чрезвычайно мала.По словам Дэйва Славена из Морнингсайд-колледжа (Су-Сити, штат Айова), если скорость бейсбольного мяча известна с точностью до 0,1 мили в час, максимальная точность, с которой можно узнать положение мяча, составляет 0,000000000000000000000000000008 миллиметров.

Вперед

Принципы квантования, дуальности волна-частица и принцип неопределенности открыли новую эру для QM. В 1927 году Поль Дирак применил квантовое понимание электрических и магнитных полей, чтобы дать толчок к изучению «квантовой теории поля» (QFT), которая рассматривала частицы (такие как фотоны и электроны) как возбужденные состояния основного физического поля.Работа в QFT продолжалась десять лет, пока ученые не столкнулись с препятствием: многие уравнения в QFT перестали иметь физический смысл, потому что они давали результаты бесконечности. После десятилетия застоя в 1947 году Ганс Бете совершил прорыв, применив технику, названную «перенормировкой». Здесь Бете понял, что все бесконечные результаты связаны с двумя явлениями (в частности, «собственной энергией электрона» и «поляризацией вакуума»), так что наблюдаемые значения массы электрона и заряда электрона могут быть использованы для исчезновения всех бесконечностей.

С момента открытия перенормировки КТП послужила основой для развития квантовых теорий о четырех фундаментальных силах природы: 1) электромагнетизм, 2) слабое ядерное взаимодействие, 3) сильное ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Первым озарением, полученным с помощью QFT, было квантовое описание электромагнетизма с помощью «квантовой электродинамики» (QED), которая добилась успехов в конце 1940-х - начале 1950-х годов. Затем было квантовое описание слабого ядерного взаимодействия, которое было объединено с электромагнетизмом, чтобы построить «теорию электрослабого взаимодействия» (EWT) на протяжении 1960-х годов.Наконец, в 1960-х и 1970-х годах пришла квантовая трактовка сильного ядерного взаимодействия с использованием «квантовой хромодинамики» (КХД). Теории QED, EWT и QCD вместе составляют основу Стандартной модели физики элементарных частиц. К сожалению, КТП еще предстоит создать квантовую теорию гравитации. Эти поиски продолжаются и сегодня в исследованиях теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Роберт Кулман - научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон, защитив докторскую диссертацию. в химическом машиностроении.Он пишет о математике, науке и о том, как они взаимодействуют с историей. Следуйте за Робертом @PrimeViridian . Следуйте за нами @LiveScience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

Шесть вещей, которые каждый должен знать о квантовой физике

Квантовая физика обычно пугает с самого начала. Это немного странно и может показаться нелогичным даже для физиков, которые сталкиваются с этим каждый день.Но это не непонятно. Если вы читаете что-то о квантовой физике, на самом деле есть шесть ключевых понятий, которые вам следует иметь в виду. Сделайте это, и вы обнаружите, что квантовую физику намного легче понять.

Все сделано из волн; Кроме того, частицы

Есть много мест, с которых можно начать такого рода обсуждение, и это ничуть не хуже любого другого: все во Вселенной имеет одновременно и корпускулярную, и волновую природу.В фэнтезийной дуологии Грега Медведя есть строчка ( The Infinity Concerto и The Serpent Mage ), где персонаж, описывающий основы магии, говорит: «Все - волны, ничего не колышущееся, на любом расстоянии». Мне всегда очень нравилось это поэтическое описание квантовой физики - в глубине души все во Вселенной имеет волновую природу.

Конечно, все во Вселенной также имеет природу частиц. Это кажется совершенно безумным, но это экспериментальный факт, разработанный с помощью удивительно знакомого процесса:

(есть также анимированная версия этого, которую я сделал для TED-Ed).

Конечно, описание реальных объектов как частиц и волн обязательно несколько неточно. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются ни частицами, ни волнами, а являются третьей категорией, которая разделяет некоторые свойства волн (характерная частота и длина волны, некоторые распространяются в пространстве) и некоторые свойства частиц (они обычно являются счетными и могут быть в некоторой степени локализованным). Это приводит к оживленным спорам в сообществе преподавателей физики о том, действительно ли уместно говорить о свете как о частице во вводных курсах физики; не потому, что есть какие-либо споры о том, имеет ли свет некоторую природу частиц, а потому, что наименование фотонов «частицами», а не «возбуждением квантового поля» может привести к неправильным представлениям некоторых студентов.Я склонен не соглашаться с этим, потому что многие из тех же опасений могут быть подняты по поводу называния электронов «частицами», но это является надежным источником разговоров в блогах.

Эта природа квантовых объектов "дверь номер три" отражена в иногда сбивающем с толку языке, который физики используют, говоря о квантовых явлениях. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере как частица, но вы также услышите, как физики говорят о «поле Хиггса» как о делокализованном объекте, заполняющем все пространство.Это происходит потому, что в некоторых обстоятельствах, например, в экспериментах на коллайдере, удобнее обсуждать возбуждения поля Хиггса таким образом, чтобы подчеркнуть его характеристики, подобные частицам, в то время как в других обстоятельствах, например, при общем обсуждении того, почему определенные частицы имеют массу, это больше удобно обсуждать физику в терминах взаимодействий с квантовым полем, заполняющим Вселенную. Это просто другой язык, описывающий один и тот же математический объект.

Квантовая физика дискретна

Эти колебания создавали изображение «застывшего» света.(Источник: Принстон)

Это прямо в названии - слово «квант» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то, поступающее в дискретных количествах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, является целым числом, кратным некоторой фундаментальной энергии. Для света это связано с частотой и длиной волны света - высокочастотный коротковолновый свет имеет большую характеристическую энергию, а низкочастотный длинноволновый свет имеет небольшую характеристическую энергию.

Однако в обоих случаях полная энергия, содержащаяся в конкретном световом поле, является целым числом, кратным этой энергии - в 1, 2, 14, 137 раз - и никогда не является такой странной дробью, как полторы, π, или квадратный корень из двух. Это свойство также проявляется в дискретных энергетических уровнях атомов и энергетических зонах твердых тел - одни значения энергии допустимы, другие - нет. Атомные часы работают из-за дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанную с переходом между двумя разрешенными состояниями цезия, чтобы поддерживать время на уровне, требующем широко обсуждаемой «дополнительной секунды», добавленной на прошлой неделе.

Сверхточная спектроскопия также может использоваться для поиска таких вещей, как темная материя, и является частью мотивации для института фундаментальной физики низких энергий.

Это не всегда очевидно - даже некоторые фундаментально квантовые вещи, такие как излучение черного тела, по-видимому, связаны с непрерывным распределением. Но если вникнуть в математику, всегда есть некоторая детализация лежащей в основе реальности, и это большая часть того, что приводит к странности теории.

Квантовая физика вероятна

Один из самых удивительных и (по крайней мере, исторически) противоречивых аспектов квантовой физики заключается в том, что невозможно с уверенностью предсказать результат одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают результат какого-либо эксперимента, предсказание всегда принимает форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают вывод распределений вероятностей из многих повторяющихся экспериментов.

Математическое описание квантовой системы обычно принимает форму «волновой функции», обычно представленной в уравнениях греческой буквой psi: Ψ. Существует много споров о том, что именно представляет собой эта волновая функция, которые можно разбить на два основных лагеря: те, кто думает о волновой функции как о реальной физической вещи (жаргонный термин для этих теорий - «онтические» теории, заставляющие какого-то остроумного человека дублировать их сторонники «пси-онтологи») и те, кто считает волновую функцию просто выражением наших знаний (или их отсутствия) относительно основного состояния конкретного квантового объекта («эпистемологические» теории).

В любом классе базовых моделей вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (во всяком случае, грубо говоря; волновая функция - это сложный математический объект (то есть он включает в себя мнимые числа). как квадратный корень из отрицательного), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрат волновой функции» достаточно, чтобы понять основную идею). Это известно как «правило Борна» в честь немецкого физика Макса Борна, который первым предложил это (в сноске к статье в 1926 году), и некоторым людям кажется уродливым добавлением ad hoc .В некоторых частях сообщества квантовых фондов предпринимаются активные усилия, чтобы найти способ вывести правило Борна из более фундаментального принципа; на сегодняшний день ни один из них не был полностью успешным, но он порождает много интересных научных исследований.

Это также аспект теории, который приводит к тому, что частицы, например, находятся в нескольких состояниях одновременно. Все, что мы можем предсказать, - это вероятность, и до измерения, которое определяет конкретный результат, измеряемая система находится в неопределенном состоянии, которое математически отображается в суперпозицию всех возможностей с разными вероятностями.Считаете ли вы это, что система на самом деле находится во всех состояниях одновременно, или просто находится в одном неизвестном состоянии, во многом зависит от ваших представлений об онтических и эпистемических моделях, хотя оба они подчиняются ограничениям из следующего пункта список:

Квантовая физика нелокальна

Последний крупный вклад Эйнштейна в физику не получил широкого признания, в основном потому, что он был неправ.В статье 1935 года со своими младшими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном («статья EPR») Эйнштейн дал четкое математическое изложение того, что беспокоило его в течение некоторого времени, идеи, которую мы теперь называем «запутанностью».

В документе EPR утверждается, что квантовая физика допускает существование систем, в которых измерения, сделанные в удаленных друг от друга местах, могут быть коррелированы таким образом, чтобы предполагать, что результат одного определяется другим. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее с помощью некоторого общего фактора, потому что альтернатива потребовала бы передачи результата одного измерения в местоположение другого со скоростью, превышающей скорость света.Таким образом, квантовая механика должна быть неполной, являясь простым приближением к какой-то более глубокой теории (теории «локальной скрытой переменной», когда результаты конкретного измерения не зависят от чего-либо дальше от места измерения, чем сигнал может пройти в точке измерения). скорость света («локальная»), но определяются некоторым фактором, общим для обеих систем в запутанной паре («скрытая переменная»)).

Это считалось странной сноской около тридцати лет, поскольку казалось, что не было возможности проверить ее, но в середине 1960-х ирландский физик Джон Белл более подробно разработал последствия статьи ЭПР.Белл показал, что можно найти обстоятельства, при которых квантовая механика предсказывает корреляции между удаленными измерениями, которые сильнее, чем любая возможная теория того типа, который предпочитают E, P и R. Это было экспериментально проверено в середине 1970-х годов Джоном Клаузером, широко считается, что серия экспериментов Алена Аспекта в начале 1980-х окончательно показала, что эти запутанные системы не могут быть объяснены какой-либо локальной теорией скрытых переменных.

Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата - сказать, что квантовая механика нелокальна: результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленных объектов таким образом, что нельзя объяснить с помощью движущихся сигналов. со скоростью света.Однако это не позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света, хотя было множество попыток найти способ использовать для этого квантовую нелокальность. Их опровержение оказалось на удивление продуктивным делом - подробнее см. Дэвид Кайзер Как хиппи спасли физику . Квантовая нелокальность также играет центральную роль в проблеме информации в испаряющихся черных дырах и в споре о «брандмауэре», который в последнее время вызвал большую активность.Есть даже некоторые радикальные идеи, предполагающие математическую связь между запутанными частицами, описанными в статье EPR, и кротовыми норами.

Квантовая физика (в основном) очень мала

Изображения атома водорода в квантовом телескопе. (Источник: Stodolna et al. Phys. Rev .... [+] Lett.)

Квантовая физика имеет репутацию странной, потому что ее предсказания разительно отличаются от нашего повседневного опыта (по крайней мере, для людей - тщеславие моей книги состоит в том, что собакам она не кажется такой уж странной).Это происходит потому, что задействованные эффекты становятся меньше по мере увеличения объектов - если вы хотите однозначно увидеть квантовое поведение, вы в основном хотите видеть частицы, ведущие себя как волны, а длина волны уменьшается по мере увеличения импульса. Длина волны макроскопического объекта, такого как собака, гуляющая по комнате, настолько смехотворно мала, что если вы разложите все так, чтобы один атом в комнате был размером с всю Солнечную систему, длина волны собаки была бы размером с один атом в этой солнечной системе.

Это означает, что по большей части квантовые явления ограничиваются масштабом атомов и элементарных частиц, где массы и скорости достаточно малы, чтобы длины волн стали достаточно большими для непосредственного наблюдения. Однако в целом ряде областей предпринимаются активные усилия по увеличению размеров систем, демонстрирующих квантовые эффекты, до больших размеров. Я написал кучу статей об экспериментах группы Маркуса Арндта, показывающих волнообразное поведение все более и более крупных молекул, и есть группа групп в «опто-механике полости», пытающихся использовать свет для замедления движения кусков кремния вниз. до такой степени, что станет ясной дискретная квантовая природа движения.Есть даже некоторые предположения, что это можно было бы сделать с подвесными зеркалами массой в несколько граммов, что было бы удивительно круто.

Квантовая физика не волшебство

Комикс из «Выжить в мире» Данте Шеперд. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html) ... [+] Используется с разрешения.

Предыдущий пункт очень естественно ведет к следующему: как ни странно это может показаться, квантовая физика в большей степени является , а не магией.Вещи, которые он предсказывает, странны по стандартам повседневной физики, но они строго ограничены хорошо понятными математическими правилами и принципами.

Итак, если кто-то приходит к вам с «квантовой» идеей, которая кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой - свободная энергия, мистические целительные силы, невозможные космические двигатели - это почти наверняка так. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать удивительные вещи - вы можете найти действительно классную физику в мирских технологиях - но эти вещи остаются в рамках законов термодинамики и простого здравого смысла.

Итак, вот и все: основы квантовой физики. Я, вероятно, упустил некоторые вещи или сделал некоторые заявления, которые недостаточно точны, чтобы угодить всем, но это должно, по крайней мере, служить полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.

Квантовая физика | New Scientist

Что такое квантовая физика? Проще говоря, это физика, которая объясняет, как все работает: лучшее, что у нас есть, описание природы частиц, из которых состоит материя, и сил, с которыми они взаимодействуют.

Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы, и почему химия и биология работают именно так. Вы, я и столб ворот - по крайней мере, на каком-то уровне мы все танцуем под квантовую мелодию. Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже как солнце продолжает гореть, вам нужно будет использовать квантовую физику. .

Здесь начинаются трудности, а для физиков - самое интересное.Начнем с того, что единой квантовой теории не существует. Существует квантовая механика, основная математическая структура, лежащая в основе всего этого, которая была впервые разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими. Он характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы из нескольких частиц с течением времени.

Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики - в основном, специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро, - чтобы создать то, что известно как квантовая теория относительности. теории поля.

Три разные квантовые теории поля имеют дело с тремя из четырех фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы держатся вместе; сильное ядерное взаимодействие, которое объясняет стабильность ядра в сердце атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.

За последние пять десятилетий эти три теории были объединены в ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц.Несмотря на все впечатление, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, это наиболее точно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Его главная слава пришла в 2012 году с открытием бозона Хиггса, частицы, придающей всем другим фундаментальным частицам их массу, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964 году.

Обычные квантовые теории поля хорошо работают при описании результатов экспериментов на ускорителях высокоэнергетических частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, где был открыт Хиггс, который исследует материю в ее мельчайших масштабах.Но если вы хотите понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях - как электроны движутся или не проходят через твердый материал и, таким образом, превращают материал в металл, изолятор или полупроводник, например, - все становится еще сложнее.

Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этой многолюдной среде требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают некоторые кровавые детали. Трудность построения таких теорий заключается в том, почему многие важные вопросы физики твердого тела остаются нерешенными - например, почему при низких температурах некоторые материалы являются сверхпроводниками, пропускающими ток без электрического сопротивления, и почему мы не можем заставить этот трюк работать при комнатной температуре. .

Но за всеми этими практическими проблемами кроется огромная квантовая загадка. На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи о том, как работает материя, которые полностью расходятся с тем, как вещи работают в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, расположенные в одном месте; или они могут действовать как волны, распространяясь по всему пространству или сразу в нескольких местах. Как они выглядят, кажется, зависит от того, как мы их измеряем, и до того, как мы измерим, кажется, что они вообще не имеют определенных свойств, что приводит нас к фундаментальной загадке о природе базовой реальности.

Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кошка Шредингера, в которой благодаря неопределенному квантовому процессу кошка остается мертвой и живой одновременно. Но это не все. Квантовые частицы, кажется, могут мгновенно влиять друг на друга, даже когда они находятся далеко друг от друга. Это действительно сбивающее с толку явление известно как запутанность, или, как сказал Эйнштейн (великий критик квантовой теории), «жуткое действие на расстоянии». Такие квантовые возможности совершенно чужды нам, но они являются основой новых технологий, таких как сверхзащищенная квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.

Но что все это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто согласиться с тем, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем сопоставить с нашим опытом в более широком, «классическом» мире. Другие думают, что должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам еще предстоит открыть.

При этом в комнате несколько слонов. Для начала, существует четвертая фундаментальная сила природы, которую пока что квантовая теория не смогла объяснить.Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна, строго неквантовой теории, которая даже не касается частиц. Десятки лет интенсивные попытки подвести гравитацию под квантовый зонтик и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего» ни к чему не привели.

Между тем космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, материалов, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели, и загадок, таких как степень роли квантовой физики в беспорядке. механизмы жизни остаются необъясненными.В некоторой степени мир является квантовым, но вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым. Ричард Уэбб

Введение в квантовую механику

Квантовая механика - это физическая наука, изучающая поведение материи и энергии в масштабе атомов и субатомных частиц / волн.

Он также формирует основу для современного понимания того, как можно анализировать и объяснять очень большие объекты, такие как звезды и галактики, и космологические события, такие как Большой взрыв.

Квантовая механика является основой нескольких смежных дисциплин, включая нанотехнологию, физику конденсированного состояния, квантовую химию, структурную биологию, физику элементарных частиц и электронику.

Термин «квантовая механика» впервые был введен Максом Борном в 1924 году.

Признание квантовой механики общим физическим сообществом связано с ее точным предсказанием физического поведения систем, включая системы, в которых ньютоновская механика не работает.

Даже общая теория относительности ограничена - в отличие от квантовой механики - для описания систем в атомном масштабе или меньше, при очень низких или очень высоких энергиях или при самых низких температурах.

За столетие экспериментов и прикладной науки квантовая теория оказалась очень успешной и практичной.

Основы квантовой механики восходят к началу 1800-х годов, но настоящее начало квантовой механики относится к работе Макса Планка в 1900 году.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор вскоре внесли важный вклад в то, что сейчас называется «старой квантовой теорией».

Однако только в 1924 году появилась более полная картина с гипотезой Луи де Бройля о материальных волнах, и истинная важность квантовой механики стала очевидной.

Некоторыми из наиболее выдающихся ученых, которые впоследствии в середине 1920-х годов внесли свой вклад в то, что сейчас называется «новой квантовой механикой» или «новой физикой», были Макс Борн, Пол Дирак, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Эрвин Шредингер.

Позже эта область была расширена за счет работ Джулиана Швингера, Син-Итиро Томонага и Ричарда Фейнмана по развитию квантовой электродинамики в 1947 году и Мюррея Гелл-Манна, в частности, по развитию квантовой хромодинамики.

Интерференция, которая создает цветные полосы на пузырьках, не может быть объяснена моделью, которая изображает свет как частицу.

Это можно объяснить с помощью модели, изображающей это как волну.

На рисунке показаны синусоидальные волны, напоминающие волны на поверхности воды, отражающиеся от двух поверхностей пленки разной ширины, но такое изображение волновой природы света является лишь грубой аналогией.

Ранние исследователи разошлись в своих объяснениях фундаментальной природы того, что мы сейчас называем электромагнитным излучением.

Некоторые утверждали, что свет и другие частоты электромагнитного излучения состоят из частиц, в то время как другие утверждали, что электромагнитное излучение является волновым явлением.

В классической физике эти идеи противоречат друг другу.

С первых дней существования КМ ученые признали, что ни одна идея сама по себе не может объяснить электромагнитное излучение.

Несмотря на успех квантовой механики, в ней есть некоторые противоречивые элементы.

Например, поведение микроскопических объектов, описываемое в квантовой механике, сильно отличается от нашего повседневного опыта, что может вызвать некоторую степень недоверия.

В настоящее время считается, что большая часть классической физики состоит из частных случаев теории квантовой физики и / или теории относительности.

Дирак применил теорию относительности к квантовой физике, чтобы она могла должным образом иметь дело с событиями, происходящими со скоростью, составляющей значительную долю скорости света.

Классическая физика, однако, также имеет дело с массовым притяжением (гравитацией), и никто еще не смог объединить гравитацию в единую теорию с релятивизированной квантовой теорией.

Квантовая физика для неизлечимо запутавшихся

Разве квантовая физика плавит ваш мозг? Во-первых, не паникуйте. Вы не одиноки в своем замешательстве. Как сказал легендарный физик Ричард Фейнман: «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».

Тем не менее, квантовая теория жизненно важна для описания того, как устроен наш мир.

Итак, мы разбили идеи квантовой теории до уровня, на котором даже пяти (или 55) лет может понять суть.

Что такое квантовая теория?

После нескольких тысяч лет споров мы наконец знаем, из чего состоит «вещество» - крошечные частицы, называемые электронами и кварками. Эти парни объединяются в маленькие семьи, чтобы создавать атомы, такие как водород или кислород, и молекулы, такие как H 2 O.

Атомы и молекулы - это блоки Lego нашего мира.

Чтобы описать, как работает этот крошечный мир, ученые используют набор идей, называемых квантовой теорией.

Теория делает странные предсказания (например, что частицы могут находиться в двух местах одновременно), но при этом это наиболее точно подтвержденная теория в физике.

Он лежит в основе многих технологий вокруг нас, включая чип, который делает ваш смартфон таким умным.

Это странно, правильно, это важно.

Но что на самом деле означает «квант»?

Зайдите на кухню с банкой арахисового масла в руке. Вы можете поставить банку на столешницу или на одну из полок над ней.Но нельзя ставить банку между полками - в этом нет смысла.

Говоря языком физики, вы бы сказали, что полки на вашей кухне «квантованы». Это просто означает, что они бывают разных уровней.

В квантовом мире все разделено на уровни. Например, электрон в атоме может находиться на одном из нескольких установленных «энергетических уровней» - точно так же, как полки на вашей кухне. Но квантовый мир странный. Дайте электрону заряд энергии, и он мгновенно перескочит с одного уровня на другой.

Это называется квантовым скачком .

Вот еще одна аналогия. Если вы управляли квантовым автомобилем, вы могли бы двигаться со скоростью 5 км / ч, 20 км / ч или 80 км / ч, но без промежуточной скорости. Переключите передачи, и вы внезапно прыгнете с 5 до 20 км / ч. Изменение скорости будет мгновенным, поэтому вы даже не почувствуете ускорения.

Это еще один качественный скачок .

Квантовая механика и классическая механика

Микроскопический мир играет по совершенно другим правилам, чем «классический» мир, к которому мы привыкли.

«Классический» - это физическое слово, обозначающее «здравый смысл» - когда что-то ведет себя так, как вы могли бы ожидать из повседневного опыта.

Бильярдный шар - это «классический объект» (он катится по столу простым способом), но отдельный атом внутри него подчиняется квантовым законам (может в любой момент исчезнуть через зеленый сукно).

Где-то между масштабами атома и бильярдным шаром есть точка пересечения в законах физики - что-то вроде передачи юрисдикции между полицией штата и федеральной полицией.

Слепите достаточно атомов вместе, и странные квантовые эффекты исчезнут, поведение станет классическим. Это называется принципом соответствия .

Принцип неопределенности Гейзенберга

Некоторые вещи в квантовой физике буквально непознаваемы. Например, вы никогда не можете знать, где находится электрон и куда он движется.

Один из способов понять это - использовать связанный с этим эффект наблюдателя - как измерение может изменить результат. Например, чтобы узнать, где находится электрон, вам нужно обнаружить его чем-то (например, фотоном света), но это зондирование, каким бы мягким оно ни было, сбивает электрон с его первоначального курса.Электрон сообщает вам, где он находится, но забывает, куда он направлялся.

Но принцип неопределенности гораздо глубже, чем просто эффект наблюдателя. Он говорит, что природе присуща нечеткость.

Неуверенность в том, где находится электрон, не является ошибкой в ​​нашем наблюдении - это потому, что электрон не имеет определенного положения . Электрон - это не точечная частица, а мазок электронности, разбросанный в пространстве.

Дуальность частица / волна

Квантовые объекты (например, фотоны и электроны) имеют раздвоенные личности - иногда они ведут себя как волны, а иногда как частицы.Их поведение зависит от того, какие вопросы вы им задаете (см. «Эксперимент с двумя щелями» ниже).

Волновая функция

Немного математики, описывающей, как выглядит волна.

Важно отметить, что квантовые волновые функции могут иметь множество возможных решений, каждое с определенной вероятностью того, что оно истинно.

Удивительно, но разные возможные ответы, кажется, взаимодействуют друг с другом в своего рода подвешенном состоянии состояний, называемом суперпозиция - как будто сговорились, чтобы дать нам реальность нашей вселенной (см. «Две щели» ниже).

Суперпозиция и кошка Шредингера

Представьте себе кошку в коробке вместе с пузырьком с цианидом. Над флаконом на веревке висит молоток. Молот предназначен для падения при срабатывании случайного квантового события (например, при распаде атома урана).

Это мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шредингером, чтобы попытаться передать идею суперпозиции.

Распад атома подчиняется квантовым законам, поэтому его волновая функция имеет два решения: распавшийся или не распавшийся.

Согласно квантовой теории, пока вы не проведете измерение, эти две возможности одинаково действительны. Фактически, вы можете рассматривать атом как распавшийся и не распавшийся одновременно.

Поскольку судьба кошки тесно связана с атомом урана, пока вы не взглянете на нее, кошка одновременно жива и мертва.

Что такое запутанность?

Запутанность - это когда две частицы (например, фотоны) тесно связаны, так что измерение одной мгновенно влияет на другую, независимо от того, как далеко она находится.

Это как если бы вы были ребенком, и ваш дядя показал вам цветной шар в каждой руке, а затем перемешал их за спиной. С вашей точки зрения, два шара были «запутаны» - если красный шар находится в его левой руке, это означает, что синий шар находится в его правой руке.

Но квантовая ситуация более загадочна, потому что «шары» не имеют определенного цвета, они меняют цвет - в любой момент они могут стать красными или синими с равной вероятностью. Это совершенно случайно.

Странно то, что взгляд на один шар убивает случайность (останавливает изменение цвета) не только для того, на который вы смотрите, но и для обоих.Если вы видите красный шар, вы знаете, что другой цвет фиксируется как синий.

Таким образом, может показаться, что одна запутанная частица мгновенно влияет на другую, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Альберт Эйнштейн чувствовал, что это нарушает предел космической скорости (он же скорость света), установленный его теорией относительности, и поэтому он дал запутанности ярлык « жуткое действие на расстоянии».

Как физик запутывает фотоны?

Есть пара приемов. Один из них - разбить фотон с высокой энергией на два «дочерних фотона» с более низкой энергией.Как однояйцевые близнецы в фильме ужасов, две дочери обладают мистической связью между собой.

Другой способ - пропустить два фотона через лабиринт зеркал, чтобы вы не могли знать, в каком направлении каждый из них двигался. Эта «непознаваемость» создает путаницу.

Эксперимент с двумя щелями (иллюстрация большей части вышеперечисленного)

Это самый известный эксперимент в квантовой механике, в котором частицы (обычно электроны или фотоны) запускаются в две щели перед тем, как быть обнаружены на экране.

Он так известен, потому что демонстрирует многие из странных явлений, упомянутых выше.

Эксперимент основан на различном поведении волн и частиц для одной и той же установки.

Например, вы можете установить барьер с двумя прорезями в бассейне с водой, а затем погружать палец внутрь и наружу, чтобы генерировать волны. Волны будут проходить через две прорези и пересекаться с другой стороны, образуя узор.

Но если вы вытащите барьер из воды и выстрелите кучей шариков в две щели, они пролетят прямо через две прямые линии, не создавая интерференционной картины.

Самое странное, что электроны могут вести себя как и то и другое.

Если вы стреляете электронами в прорези, даже по одному, они образуют на экране интерференционную картину - как если бы каждый электрон одновременно проходил через обе прорези и мешал сам себе. Кажется, это говорит нам, что электроны - это волны.

Поскольку электрон является квантовым объектом, мы не можем знать его местонахождение ( принцип неопределенности Гейзенберга ). Электрон имеет некоторый шанс пройти через одну щель, некоторый шанс пройти через другую - поскольку оба возможны, он фактически проходит через обе ( суперпозиция состояний ).

Теперь «наблюдение» - это когда электрон попадает в детектор, показывая яркую вспышку (коллапс волновой функции , ).

Но предположим, что вы пытаетесь обмануть электрон, помещая в щели механизм, который сообщает вам, через какую из них проходит электрон. Внезапно интерференционная картина исчезает.

Поскольку вы знаете, через какую щель прошел электрон, он больше не находится в суперпозиции состояний , и поэтому проходит только через одну из щелей.Волновое поведение электрона испаряется, и он ведет себя как мрамор.

Если у вас болит голова, утешитесь тем, что физики также изо всех сил пытаются объяснить этот очевидный парадокс (см. «Интерпретации» ниже).

Хотя, как заметил Фейнман в своих лекциях по физике , «парадокс» - это всего лишь конфликт между реальностью и вашим ощущением того, какой реальность «должна быть».

Интерпретации квантовой механики

The Заткнись и посчитай школу - физиков, интересующихся только ответами, и которые отказываются строить догадки о том, что на самом деле происходит.

Интерпретация многих миров - те физики, которые утверждают, что каждое квантовое измерение вызывает создание бесконечного числа параллельных вселенных, по одной для каждого возможного решения волновой функции. Решение ... просто оно появляется в нашей Вселенной.

Интерпретация Copenhagen - реальность не существует, пока мы ее не измерим. Акт наблюдения заставляет волновую функцию «коллапсировать».

Интерпретация Де Бройля-Бома или экспериментальной волны - рассматривает квантовые объекты как классические частицы, но представляет их, как серфер на вершине так называемой пилотной волны.Волна определяет, где окажется частица.

Ссылки по теме: Пять странных квантовых эффектов

Невероятно короткое введение в некоторые самые основы квантовой механики

«Я думаю, что могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику». Ричард Фейнман.

Квантовая механика была разработана всего за два года, 1925 г. и 1926 г. (см. Здесь, если вы хотите знать почему). Изначально было две версии, одна сформулирована Вернером. Гейзенберга и Эрвина Шредингера.Эти двое настроились на то, чтобы быть эквивалент. Здесь мы остановимся на последнем.

Общая идея

Версия квантовой механики Шредингера, построенная на мозговой волне молодой французский физик Луи де Бройль. В 1905 году Эйнштейн предположил, что свет может вести себя как волны в одних ситуациях и как частицы в других (см. Здесь). Де Бройль решил, что то, что идет для света, может иметь значение также: возможно, крошечный строительные блоки материи, такие как электроны, также могут страдать от дуальности волновых частиц .Это странная концепция, но не думайте об этом слишком долго на этом этапе. Просто продолжай читать.

Моментальный снимок колеблющейся струны. Волновая функция описывает форму этой волны.

Обычные волны, такие как те, которые могут спускаться по строка, может быть описана математически. Вы можете сформулировать волну уравнение , которое описывает, как конкретная волна меняется в пространстве и времени. Решением этого уравнения является волна функция , которая описывает форму волны в каждой точке время.

Если Де Бройль был прав, то должно быть волновое уравнение для эти материальные волны тоже. Эрвин Шредингер придумал один. Уравнение, конечно, отличается от типа уравнение, описывающее обыкновенные волны. Вы можете спросить, как Шредингер придумал это уравнение. Как он это получил? Знаменитый физик Ричард Фейнман рассмотрел этот вопрос. бесполезно: «Откуда мы взяли это [уравнение]? невозможно вывести это из того, что вам известно. Это вышло из ум Шредингера."(Вы можете найти более подробную математическую информацию об уравнении Шредингера здесь.)

Решение уравнения Шредингера называется волной функция . В нем рассказывается о квантовой системе , которую вы рассматриваем. Но что? В качестве примера представьте, что одиночная частица движется в закрытом ящике. Решение волнового уравнения, которое описывает эту систему, вы получите соответствующую волновую функцию. Один Волновая функция не сообщает вам, где именно частица будет в каждый момент своего путешествия.Возможно, это не так удивительно: поскольку частица предположительно имеет волновые аспекты, у нее не будет четко определенная траектория, скажем, бильярдного шара. Вместо этого функция описать форму волны, вдоль которой распространяется наша частица как слизь? Ну, это тоже не тот случай, может быть, тоже неудивительно, поскольку частица не на 100% волнообразна.

Странные последствия

Так что здесь происходит? Прежде чем мы продолжим, позвольте мне заверить вас, что уравнение Шредингера - одно из самых успешных уравнений в истории.Его прогнозы неоднократно подтверждались. Вот почему люди принимают его обоснованность, несмотря на последующие странности. Так что не сомневайтесь. Просто продолжай читать.

Волновая функция дает вам число (обычно комплексное число ) для каждого точка x в коробке в каждой точке t во время путешествия частицы. В 1926 г. физик Макс Борн дал интерпретацию этого число: после небольшого изменения дает вам вероятность нахождение частицы в точке x в момент времени t .Почему вероятность? Потому что в отличие от обычного бильярдного шара, который подчиняется Согласно классическим законам физики, наша частица не имеет четко определенной траектории, которая ведет ее к определенной точке. Когда мы открываем коробку и смотрим, у нас будет найти его в одной конкретной точке, но нет возможности предсказать заранее, какой это. Все, что у нас есть, - это вероятности. Это первое странное предсказание теории: мир, по сути, не так же уверенно, как и наш повседневный опыт игры в бильярдные шары. полагать.

Второе странное предсказание следует прямо из первого. Если мы не открываем коробку и не обнаруживаем частицу в определенном месте, то где Это? Ответ в том, что это во всех местах, где мы могли бы потенциально видел это сразу. Это не просто воздушная фея предположение, но можно увидеть в математике уравнения Шредингера.

Предположим, вы нашли волновую функцию, которая является решением уравнения Шредингера. уравнение и описывает нашу частицу, находящуюся в некотором месте в коробке.Теперь может быть другая волновая функция которое также является решением того же уравнения, но описывает частица находится в другой части ящика. И вот в чем дело: если вы добавляете эти две разные волновые функции, сумма также является решение! Итак, если частица находится в одном месте, это решение, а находящаяся в другом месте частица является раствором, тогда частица, находящаяся на первом месте, а второе место также является раствором. В этом смысле частица может можно сказать, что он находится в нескольких местах одновременно.Это называется квант суперпозиция (и это вдохновило Шредингера на знаменитый мысленный эксперимент с кошкой).

Принцип неопределенности Гейзенберга

Как мы видели, невозможно предсказать где наша частица в коробке будет, когда мы измеряем Это. То же самое касается любых других вещей, которые вы, возможно, захотите измерить относительно частицы, например, ее импульса: все, что вы можете сделать, это вычислить вероятность того, что импульс принимает каждое из нескольких возможных значений.Чтобы вычислить из волновой функции, каковы эти возможные значения положения и импульса, вам понадобятся математические объекты, называемые операторами . Есть много разных операторов, но есть один конкретный нам нужен для позиция, и есть одна для импульса.

Когда мы выполнили измерение, скажем, положения, частица наиболее определенно в одном месте. Это означает, что его волновая функция имеет изменилась (схлопнулась) в волновую функцию, описывающую частицу, которая точно в одном конкретном месте со 100% уверенностью.Эта волна функция математически связана с оператором позиции: это то, что математики вызвать собственное состояние оператора позиции. («Эйген» - это По-немецки "собственный", поэтому собственное состояние - это что-то вроде оператора. «собственное» состояние.) То же самое и с импульсом. Когда вы измерили импульса волновая функция коллапсирует до собственного состояния оператора импульса.

Если бы вы измерили импульс и позиционировать одновременно, и получить определенные ответы для обоих, тогда два собственных состояния, соответствующие позиция и импульс должны были бы быть таким же.Однако математическим фактом является то, что собственные состояния этих двух операторы никогда не совпадают. Так же, как 3 + 2 никогда не даст 27, так не математические операторы, соответствующие позиция и импульс ведут себя таким образом, чтобы позволить им имеют совпадающие собственные состояния. Следовательно, позиция и импульс могут никогда не измеряются одновременно с произвольной точностью. (Для тех, кто знаком с некоторыми техническими особенностями, собственные состояния не могут быть одинаковыми, потому что операторы не коммутируют.)

Как мы знаем из опыта, суперпозиция исчезает, когда мы смотрим на частицу. Никто никогда не видел непосредственно одну частицу сразу в нескольких местах. Так почему же суперпозиция исчезает после измерения? И как? Это вопросы, которые никто не знает ответы на. Каким-то образом измерение заставляет реальность «схватывать» просто один из возможных исходов. Некоторые говорят, что волновая функция просто «схлопывается» каким-то неизвестным механизмом. Другие предполагают, что реальность разделяется на разные ветви в точке измерения.В каждую ветвь наблюдатель видит одно из возможных результаты. Проблема измерения - это вопрос квантовой механики на миллион долларов. (Узнайте больше в уравнении Шредингера - что оно означает?)

Еще одна вещь, которая вытекает прямо из математики уравнения Шредингера: Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга . Принцип говорит, что вы никогда не сможете измерить как позицию, так и импульс квантовый объект, такой как наша частица в ящике, с произвольной точностью.В чем точнее вы говорите о том, тем меньше вы можете сказать о Другой. Это не потому, что ваши инструменты измерения недостаточно хороши - это факт природы. Чтобы получить представление о том, как такой загадочный результат может возникнуть из уравнения, см. Рамку справа.

Позиция и импульс - не единственные наблюдаемые , которые не могут быть измерены одновременно с произвольной точностью. Время и энергия - это еще одна пара: чем точнее вы оцениваете промежуток времени что-то происходит в менее точных, вы можете сказать об энергии что то и наоборот.По этой причине частицы могут приобретать энергия из ниоткуда на очень короткие моменты времени, что-то это невозможно в обычной жизни - это называется квант туннелирование , потому что это позволяет частице «туннелировать» через энергетический барьер (см. здесь, чтобы узнать больше).

А вот еще одна квантовая странность, возникающая из-за волны функция: запутанность . Волновая функция также может описывать система многих частиц. Иногда невозможно разложить волновую функцию на компоненты, соответствующие индивидуальному частицы.Когда это происходит, частицы становятся неразрывно связаны, даже если они далеко друг от друга. Когда что-то происходит с одной из запутанных частиц, то же самое происходит и с ее удаленным партнером - явление, которое Эйнштейн описал как «жуткое действие на расстоянии». (Вы можете узнать больше о запутанности в нашем интервью с Джоном Конвеем.)

Это всего лишь очень краткое и поверхностное описание центрального уравнения квантовой механики. Чтобы узнать больше, читайте

Или, чтобы узнать больше о квантовой механике в целом, прочитайте блестящую книгу Джона Полкингхорна Квантовая теория: очень краткое введение .


Об этой статье

Марианна Фрейбергер - редактор журнала Plus .

Все, что вам нужно знать о квантовой физике (почти)

Что такое квантовая физика?

Квантовая физика - это раздел физики, также известный как квантовая механика или квантовая теория.

Механика - это часть физики, связанная с вещами, которые перемещают на , от пушечных ядер до теннисных мячей, автомобилей, ракет и планет. Квантовая механика - это часть физики, которая описывает движения объектов на молекулярном, атомном и субатомном уровнях, таких как фотоны и электроны.

Хотя квантовая механика - чрезвычайно успешная научная теория, от которой зависит большая часть нашего современного, одержимого технологиями образа жизни, она также совершенно безумна.

Подробнее о квантовой физике:

Совершенно очевидно, что теория работает , но, похоже, она заставляет нас преследовать призраков и фантомов, частиц, которые являются волнами, и волн, которые являются частицами, кошек, которые одновременно живы и мертвые, множества, казалось бы, жутких событий и отчаянное желание спокойно полежать в затемненной комнате.

Если вы когда-нибудь задумывались, что такого особенного в квантовой теории, что делает ее такой непонятной для многих, вот краткое изложение квантовой теории простыми словами.

История квантовой механики

Теперь мы знаем, что вся материя состоит из атомов. Каждый атом, в свою очередь, состоит из электронов, «вращающихся» вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Атомы дискретны. Они «локализованы»: «здесь» или «там».

Но к концу XIX века атомы действительно были довольно противоречивыми.Фактически, именно решимость опровергнуть существование атомов привела немецкого физика Макса Планка к изучению свойств и поведения так называемого излучения «черного тела».

То, что он обнаружил в «акте отчаяния» в конце 1900 года, превратило его в убежденного атомиста, но потребовалось еще несколько лет, чтобы осознать истинное значение его открытия.

Планк пришел к выводу, что излучение поглощается и излучается, как если бы оно было составлено из дискретных битов, которые он назвал квантами .В 1905 году Альберт Эйнштейн пошел еще дальше. Он предположил, что кванты реальны - само излучение приходит в виде дискретных сгустков световой энергии. Сегодня мы называем эти сгустки фотонами .

Свет - это волна или частица?

Гипотеза Эйнштейна представляла некоторую проблему. В пользу теории света волна уже имелась хорошо установленная совокупность доказательств. Ключевое наблюдение называется «экспериментом с двумя щелями».

Протолкните свет через узкое отверстие или щель, и он будет протискиваться, загибаться по краям и распространяться дальше.Он «дифрагирует».

Сделайте две прорези бок о бок, и мы получим пересечение . Волны, дифрагированные двумя щелями, создают чередующийся узор из светлых и темных полос, называемый интерференционными полосами . Такое поведение не ограничивается светом - такую ​​интерференцию волн легко продемонстрировать с помощью водных волн.

Но волны по своей сути делокализованы : они «здесь» и «там». Гипотеза Эйнштейна не опровергла всех свидетельств делокализованных волновых свойств света.Он имел в виду, что полное описание каким-то образом должно учитывать и его локализованные, подобные частицам свойства.

Итак, свет действует как волна и как частица.

В 1923 году французский физик Луи де Бройль сделал смелое предложение. Если световые волны также могут быть частицами, могут ли частицы, такие как электроны, также быть волнами ? Это была всего лишь идея, но он смог использовать ее, чтобы установить прямую математическую связь между волновым свойством электрона (длиной волны) и свойством частицы (импульсом).

Но это не была полноценная теория материи «волна-частица». Этот вызов выпал на долю Эрвина Шредингера, формулировка которого, впервые опубликованная в начале 1926 года и названная волновой механикой, до сих пор преподается студентам, изучающим естественные науки.

Что такое волновая функция?

Теория Шредингера на самом деле является классической теорией волн, в которой мы вводим некоторые квантовые условия, используя соотношение де Бройля. Результатом является волновое уравнение Schr ödinger , в котором движение частицы, например электрона, вычисляется из ее волновой функции .

С самого начала физики ломали голову над волновой функцией Шредингера.

В классической механике нет реальных проблем с тем, как мы интерпретируем концепции, представленные в теории, такие как энергия и импульс (которые называются физическими наблюдаемыми ) и их связь со свойствами объектов, которые ими обладают.

Подробнее о квантовом мире:

Хотите вычислить классический импульс объекта, летящего по воздуху с фиксированной скоростью? Легко.Измерьте массу объекта и его скорость и умножьте их. Работа выполнена.

Но что, если вы хотите знать импульс электрона, свободно движущегося в вакууме? В квантовой механике мы вычисляем это, выполняя определенную математическую операцию над волновой функцией электрона.

Такие операции представляют собой математические рецепты, которые мы можем рассматривать как «ключи», которые разблокируют волновую функцию (изображенную на этой анимации в виде прямоугольника), освобождая наблюдаемую перед повторным закрытием.

Операция - это ключ, который «разблокирует» волновую функцию

Мы вычисляем импульс, открывая коробку с помощью «ключа импульса». Для другого наблюдаемого потребуется другой ключ.

Действительно ли частицы ведут себя как волны?

Итак, если электроны ведут себя как волны, могут ли они дифрагировать? Если мы протолкнем пучок электронов через две щели бок о бок, увидим ли мы интерференционные полосы на далеком экране? Что, если мы ограничим интенсивность луча так, чтобы в среднем только один и электрон проходили через щели за раз.Что тогда?

То, что мы видим, поначалу довольно утешительно. Каждый электрон, проходящий через щели, регистрируется как единое пятно на экране, сообщая нам, что «здесь ударил электрон». Это полностью согласуется с представлением об электронах как о частицах, поскольку кажется, что они проходят - один за другим - через ту или иную щель и ударяются по экрану, казалось бы, случайным образом.

Интерференционные картины, возникающие в эксперименте с двойной щелью

Но подождите. Шаблон не случайный.По мере того, как через щели проходит все больше и больше электронов, мы переходим порог. Мы начинаем видеть, как отдельные точки группируются, перекрываются и сливаются. В итоге мы получаем двухщелевую интерференционную картину с чередованием ярких и темных полос.

В качестве альтернативы мы заключаем, что волновая природа электрона - это внутреннее поведение . Каждый отдельный электрон ведет себя как волна , описываемая волновой функцией, проходя через обе щели одновременно и интерферируя сама с собой, прежде чем ударить по экрану.

Итак, как мы должны точно знать , где появится следующий электрон?

Может ли частица находиться одновременно в двух местах?

Шредингер хотел интерпретировать волновую функцию буквально, как теоретическое представление «волны материи». Но чтобы понять одноэлектронную интерференцию, мы должны прийти к альтернативной интерпретации, предложенной позже в 1926 году Максом Борном.

Борн рассуждал, что в квантовой механике квадрат волновой функции является мерой вероятности «найти» связанный электрон в определенном месте.

Чередующиеся пики и впадины электронной волны преобразуются в схему квантовых вероятностей - в этом месте (которое станет яркой полосой) есть более высокая вероятность найти следующий электрон, а в этом другом месте (которое станет темным). бахрома) вероятность нахождения следующего электрона очень мала или равна нулю.

Подробнее о физике:

Перед тем, как электрон ударится по экрану, он с вероятностью будет обнаружен «здесь», «там» и «где угодно», где квадрат волновой функции больше нуля.Эта вероятность одновременного существования множества состояний известна как «квантовая суперпозиция».

Означает ли это, что отдельный электрон может находиться более чем в одном месте одновременно? Нет, не совсем. Верно сказать, что он может быть обнаружен одновременно более чем в одном месте. И, если мы хотим интерпретировать волновую функцию как реальную физическую вещь, есть смысл, в котором она делокализована или распределена.

Но если под «индивидуальным электроном» мы подразумеваем электрон как частицу, то в некотором смысле этот не существует как таковой, пока волновая функция не взаимодействует с экраном, и в этот момент он «схлопывается». "и электрон появляется" здесь "только в одном месте.

Почему вероятность важна в квантовой физике?

Еще одно. То, что подброшенная монета выпадет орлом с 50-процентной вероятностью, просто означает, что у нее две стороны, и у нас нет возможности узнать (или легко предсказать), каким путем она упадет. Это классическая вероятность, порожденная незнанием.

Мы можем быть уверены, что монета по-прежнему имеет две стороны - орла и решку - когда она вращается в воздухе, но мы не знаем точных деталей ее движения, поэтому мы не можем с уверенностью предсказать, какая сторона приземлится. вверх.Теоретически, мы могли бы, если бы точно знали, как сильно вы его перевернули, под каким именно углом и на какой именно высоте вы бы его поймали.

Считается, что квантовая вероятность сильно отличается. Когда мы подбрасываем квантовую монету, мы можем быть достаточно осведомлены о большинстве деталей ее движения, но мы не можем предположить, что «орел» и «решка» существуют на до того, как монета приземлилась, и мы посмотрим.

Итак, не имеет значения, сколько именно информации у вас есть о подбрасывании монеты, вы никогда не сможете с какой-либо уверенностью сказать, каким будет результат, потому что он не предопределен, как в классической системе.

Эйнштейн осуждал этот кажущийся элемент чистой случайности в квантовой механике. Он провозгласил знаменитую фразу: «Бог не играет в кости».

А потом, в 1927 году, начались дебаты. Что такое волновая функция и как ее интерпретировать? Что квантовая механика говорит нам о природе физической реальности? И вообще, что такое реальность?

Квантовая реальность: поиски истинного смысла квантовой механики - игра в теории Джима Бэгготта уже вышла (20 фунтов, Oxford University Press)

.