Как понять квантовую физику. Квантовая теория
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:
- Что такое квантовая физика и квантовая механика?
- Что такое интерференция?
- Что такое квантовая запутанность (или Квантовая телепортация для чайников)? (см. статью )
- Что такое мысленный эксперимент «Кот Шредингера»? (см. статью )
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.
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:
- Что такое ?
- Что такое мысленный эксперимент .
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!
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.
Услышав слова «квантовая физика» люди обычно отмахиваются: «Это что-то страшно сложное». Между тем, это совершенно не так, и в слове «квантовый» нет ровным счётом ничего страшного. Непонятного – хватает, интересного – очень много, а страшного – нет.
Про книжные полки, лесенки и Ивана Ивановича
Все процессы, явления и величины в окружающем нас мире можно разделить на две группы: непрерывные (по-научному континуальные ) и прерывные (по-научному дискретные или квантованные ).
Представьте себе стол, на который можно положить книгу. Вы можете положить книгу в любое место на столе. Справа, слева, посередине... Куда хотите – туда и положите. В этом случае физики говорят, что положение книги на столе изменяется непрерывно .
А теперь представьте книжные полки. Вы можете поставить книгу на первую полку, на вторую, на третью или на четвёртую – однако не можете поставить книгу «где-то между третьей и четвёртой». В этом случае положение книги изменяется прерывно , дискретно , квантованно (все эти слова обозначают одно и то же).
Окружающий мир полон непрерывных и квантованных величин. Вот две девочки – Катя и Маша. Их рост 135 и 136 сантиметров. Какая это величина? Рост изменяется непрерывно, он может быть и 135 с половиной сантиметров, и 135 сантиметров с четвертью. А вот номер школы, в которой девочки учатся – это величина квантованная! Допустим, Катя учится в школе № 135, а Маша – в школе № 136. Однако никто из них не может учиться в школе № 135 с половиной, правда?
Другой пример квантованной системы – шахматная доска. На шахматной доске 64 клетки, и каждая фигура может занимать только одну клетку. Можем ли мы поставить пешку где-то между клетками или поставить на одну клетку сразу две пешки? Фактически – можем, но по правилам – нет.
Континуальный спуск
А вот горка на детской площадке. Дети скатываются с неё вниз – потому что высота горки изменяется плавно, непрерывно. Теперь представьте себе, что эта горка вдруг (взмах волшебной палочки!) превратилась в лестницу. Скатиться с неё на попе уже не выйдет. Придётся идти ногами – сперва один шаг, потом второй, потом третий. Величина (высота) у нас изменялась непрерывно – а стала изменяться шагами, то есть дискретно, квантованно .
Квантованный спуск
Давайте проверим!
1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».
2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».
Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?
Ответ:
В первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.
Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!
Во всём виновата астрономия
О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами. Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало.
Её не существовало вплоть до самого начала 20 века! Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились. Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!
Загадочный спутник
В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».
Звезда Сириус и её спутник - Сириус Б
Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.
Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...
Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...
Нам нужен чудо-телескоп!
В такой телескоп люди впервые увидели спутник Сириуса
В середине 19-го века в США жил и работал выдающийся конструктор телескопов Элвин Кларк. По первой профессии он был художником, но волей случая превратился в первоклассного инженера, стеклодела и астронома. До сих пор никто не сумел превзойти его потрясающие линзовые телескопы! Один из объективов работы Элвина Кларка (диаметром 76 сантиметров) можно увидеть в Санкт-Петербурге, в музее Пулковской обсерватории...
Однако мы отвлеклись. Итак, в 1867 году Элвин Кларк построил новый телескоп – с объективом диаметром 47 сантиметров; это был самый большой телескоп в США на тот момент. В качестве первого небесного объекта для наблюдений на испытаниях был выбран именно загадочный Сириус. И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.
Из огня да в полымя...
Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку! Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!
На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота!
Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!
Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой. В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».
Совсем голова кругом...
Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая . Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.
Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).
А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.
Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, которую мы приводили в качестве примера квантовой системы, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!
Решение задачи
Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.
Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».
Люди на танцплощадке – «идеальный газ»
Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.
Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».
Люди в кафе – «квантовый газ»
Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».
Продолжим?..
Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Если эта тема вас заинтересовала, в следующих номерах «Лучика» мы можем поговорить и о других, не менее интересных, квантовых явлениях. Пишите! А пока давайте запомним главное:
1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.
2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают. Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.
Возврат машины по гарантии или квантовая физика для чайников.
Предположим, сейчас 3006 год. Вы идете в «связной» и покупаете бюджетную китайскую машину времени в рассрочку на 600 лет. Хотите шнырнуть на недельку вперед чтобы обставить букмекерскую контору. В предвкушении большого куша судорожно набираете дату прибытия на синей пластмассовой коробочке…
И вот смехота: В ней с ходу сгорает Никадимово-хрононный преобразователь. Машинка, издав предсмертный писк закидывает вас в 62342 год. Человечество разделилось на спинопяточников и оглобленных и разлетелось по дальним галактикам. Солнце распродано инопланетянам, Землей правят гигантские радиоактивные кремниевые черви. Атмосфера - смесь фтора и хлора. Температура минус 180 градусов. Земля эрозировала и вы в добавок падаете на скалу из флюоритовых кристаллов метров с пятнадцати. На последнем выдохе вы пользуетесь своим гражданским галактическим правом одного межвременного звонка по своему брелку. Звоните в центр технической поддержки «связного», где вам вежливый робот сообщает, что гарантия на машину времени составляет 100 лет и в их времени она совершенно исправна, а в 62342 году вам накапало непроизносимое человеческим речевым механизмом количество миллионов пенни по так и не выплаченной ни разу рассрочке.
Спаси и сохрани! Господи, спасибо, что мы живем в этом зачуханном медвежьем прошлом, где такие оказии невозможны!
…Хотя, нет! Просто большинство крупных научных открытий дают не столь эпичные результаты, как то представляется различным фантастам.
Лазеры не сжигают города и планеты - они записывают и передают информацию, развлекают школьников. Нанотехнологии не превращают вселенную в самовоспроизводящееся полчище наноботов. Они делают дождевик более непромокаемым, а бетон - более долговечным. Атомная бомба, взорванная в море так ни разу и не запустила цепную реакцию термоядерного синтеза ядер водорода и не превратила нас в еще одно солнце. Адронный коллайдер не вывернул планету наизнанку и не затащил весь мир в черную дыру. Искусственный интеллект уже создан, только вот над идеей уничтожения человечества он только насмехается.
Машина времени - не исключение. Дело в том, что она была создана еще в середине прошлого века. Была построена не как самоцель, а лишь как инструмент для создания одного маленько, невзрачного, но весьма примечательного устройства.
В свое время профессор Дмитрий Николаевич Грачев был сильно озадачен вопросом создания эффективных средств защиты от радиоизлучения. Задача на первый взгляд казалась невыполнимой - устройство на каждую радиоволну должно было выдавать в ответ свою такую же и при этом не быть никак привязано к источнику сигнала (поскольку он вражеский). Дмитрий Николаевич однажды наблюдал как во дворе дети играют в «вышибала». В игре побеждает самый шустрый, кто эффективнее всех уклоняется от мяча. Для этого нужна координация, а главное - умение предсказывать траекторию мяча.
Способность предсказывать определяется вычислительным ресурсом. Но в нашем случае наращивание вычислительных ресурсов ни к чему не приведет. На это не хватит скорости и точности даже у самых современных суперкомпьютеров. Речь шла о предсказании спонтанного процесса со скоростью полупериода СВЧ - радиоволны.
Профессор подобрал улетевший в кусты мяч и бросил его обратно детям. Зачем предсказывать куда летит мяч, когда он уже прилетел? Выход был найден: характеристики неизвестного входного радиосигнала прекрасно известны в недалеком будущем и вычислять их попросту незачем. Их достаточно там непосредственно измерить. Но вот незадача - перемещаться во времени даже на наносекундочку невозможно. Однако, для поставленной задачи этого и не требовалось. Нужно лишь, чтобы чувствительный элемент устройства - транзистор находился в недалеком будущем хотя бы частично. И тут на помощь пришло недавно открытое явление квантовой суперпозиции. Смысл его в том, что одна и та же частица может находиться в разных местах и временах одновременно.
По итогу профессором Грачевым была создана Массоориентированная квантовая электронная ловушка - настоящая машина времени, в которой был впервые создан полупроводниковый чип, часть электронов которого находятся в будущем и одновременно в настоящем. Прототип того самого ТМА - чипа, управляющего резонатором Грачева. Можно сказать, что эта штука всегда будет одной ногой в будущем.
Тут у меня днями разговор состоялся на тему delayed choice quantum erasure , даже не столько дискуссия, сколько терпеливое объяснение мне моим замечательным френдом dr_tambowsky основ квантовой физики. Поскольку я физику в школе плохо учила, а на старости лет потянуло, то впитываю, как губка. Объяснения решила собрать в одном месте, может кому еще .
Для начала рекомендую посмотреть мультфильм для детей про интерференцию и обратить внимание на «глаз». Потому что фактически в нем вся загвоздка.
Затем можно начинать читать текст от dr_tambowsky , который я привожу ниже целиком или, кто умный и подкованный, может сразу читать это . А лучше и то, и другое.
Что такое интерференция.
Тут действительно много всяких терминов и понятий и они сильно перепутаны. Давай по порядку. Во-первых — интерференция как таковая. Примерам интерференции несть числа и разных интерферометров очень много. Конкретный эксперимент, который постоянно склоняют и часто используют в этой науке про erasure (в основном, потому что он простой и удобный) — это две щели, прорезанные рядышком, параллельно друг другу в непрозрачном экране. Для начала посветим на такую двойную прорезь светом. Свет — это же ж волна, правда? И интерференцию света мы наблюдаем постоянно. Прими на веру, что если посветить на эти две прорези, а с другой стороны поставить экран (или просто стенку), то на этом втором экране мы тоже увидим интерференционную картину — вместо двух ярких пятен света «прошедшего через прорези» на втором экране (стенке) будет забор из чередующихся ярких и тёмных полос. Отметим ещё раз, что это чисто волновое свойство: если мы будем швырять камешки, то те из них, которые попадут в прорези будут и дальше лететь прямо и будут ударять в стенку каждый за своей прорезью, то есть, мы увидим две независимых кучи камней (если они к стенке прилипнут, конечно 🙂), никакой интерференции.
Далее, помнишь, в школе учили про «корпускулярно-волновой дуализм»? Что когда всё очень маленькое и очень квантовое, то объекты — одновременно и частицы и волны? В одном из знаменитых экспериментов (эксперимент Штерна-Герлаха) в 20е годы прошлого века использовали такую же установку как описано выше, но вместо света светили… электронами. Ну, то есть, электроны ведь частицы, правда? То есть если их «кидать» на двойную прорезь, как камушки, то на стенке за прорезями мы увидим что? Ответ — не два отдельных пятна, а опять интерефенционную картину!! То есть электроны тоже могут интерферировать.
С другой стороны, выясняется, что и свет не совсем волна, но немножко и частица — фотон. То есть мы теперь такие умные, что понимаем — два эксперимента, описанных выше — суть одно и тоже. Мы швыряем на прорези (квантовые) частицы, и частицы на этих прорезях интерферируют — на стенке видны чередующиеся полосы («видны» — в смысле чем мы там фотоны или электроны регистрируем, собственно глаза для этого необязательны 🙂).
Теперь, вооружённые этой универсальной картиной, зададим следующий, более тонкий вопрос (внимание, очень важно!!):
Когда мы светим на прорези нашими фотонами/электронами/частицами — мы видим с другой стороны интерференционную картину. Прекрасно. Но что происходит с отдельным фотоном/электроном/пи-мезоном? [и давай с этого момента говорить — исключительно для удобства — только о фотонах]. Возможен ведь такой вариант: каждый фотон летит, как камушек, через свою прорезь, то есть обладает вполне определённой траекторией. Вот этот фотон летит через левую прорезь. А вон тот — через правую. Когда эти фотоны-камушки, проследовав по своим определённым траекториям, достигают стенки позади прорезей, они как то там друг с другом взаимодействуют, и в результате этого взаимодействия, уже на самой стенке, возникает интерференционная картина. Пока что ничто в наших экспериментах такой интерпретации не противоречит — ведь когда мы светим на прорезь ярким светом мы посылаем сразу много фотонов. Пёс их знает, что они там делают.
На этот важный вопрос у нас имеется ответ. Мы умеем бросать по одному фотону. Бросили. Подождали. Бросили следующий. Пристально глядим на стенку и замечаем, куда эти фотоны прилетают. Один-единственный фотон, конечно, не может создать наблюдаемую интерференционную картину в принципе — он один, и когда мы его регистрируем, мы можем его увидеть только в каком-то определённом месте, а не везде сразу. Однако, вернёмся к аналогии с камушками. Вот пролетел один камушек. Стукнулся о стенку позади одной прорези (той, через которую он пролетел, естественно). Вот другой — опять стукнулся позади прорези. Сидим. Считаем. Через какое-то время и бросив достаточно камушков, мы наберём распределение — мы увидим, что много камушков стукнулось о стенку позади одной прорези и много позади другой. И больше нигде. Делаем то же самое с фотонами — бросаем их по одному и считаем потихоньку, сколько же фотонов прилетело в каждое место на стенке. Медленно сходим с ума, потому что получившееся распределение частот ударов фотонов — вовсе не два пятна под соответствующими прорезями. Распределение это в точности повторяет интерференционную картину, которую мы видели, когда светили ярким светом. Но фотоны-то теперь прилетали по одному! Один — сегодня. Следующий — завтра. Они не могли взаимодействовать друг с другом на стенке. То есть, в полном соответствии с квантовой механикой, один, отдельный фотон одновременно является волной и ничто волновое ему не чуждо. У фотона в нашем эксперименте нет определённой траектории — каждый отдельный фотон проходит через обе щели сразу и как бы интерферирует сам с собой. Можем повторить эксперимент, оставив открытой только одну щель — тогда фотоны будут конечно кучковаться за ней. Закроем первую, откроем вторую, по-прежнему бросаем фотоны по одному. Кучкуются, ясное дело под второй, открытой, щелью. Открываем обе — получившееся распределение мест, в которых фотоны любят кучковаться, не является суммой распределений, полученных, когда только одна щель была открыта. Они теперь ещё между щелями кучкуются. А точнее, их излюбленные места кучкования теперь — это чередующиеся полосы. В этой — кучкуются, в следующей — нет, опять — да, тёмная, светлая. Ах, интерференция…
Что такое суперпозиция и спин.
Итак. Будем считать, что про интерференцию как таковую мы всё понимаем. Займёмся суперпозицией. Не знаю, как у тебя с квантовой механикой, извини. Если плохо, то придётся многое принимать на веру, в двух словах объяснить сложно.
Но в принципе, мы уже были где-то рядом — когда видели, что отдельный фотон пролетает как бы сразу через две щели. Можно сказать просто: у фотона нет траектории, волна и волна. А можно сказать, что фотон одновременно летит по двум траекториям (строго говоря, даже не по двум, конечно, а по всем сразу). Это — равносильное утверждение. В принципе, если следовать по этому пути до конца, то мы придём к «интегралу по траекториям» — Фейнмановской формулировке квантовой механики. Формулировка эта невероятно изящна и настолько же сложна, на практике ею пользоваться трудно, тем более использовать её для объяснения основ. Поэтому до конца не пойдём, а лучше помедитируем над фотоном, летящим «по двум траекториям сразу». В смысле классических понятий (а траектория — вполне себе хорошо определённое классическое понятие, либо камень летит в лоб, либо мимо), фотон находится в разных состояниях одновременно. Ещё раз, траектория — это даже не совсем то, что нам нужно, наши цели проще, я просто призываю осознать и прочувствиовать факт.
Квантовая механика говорит нам, что такая ситуация — правило, а не исключение. Любая квантовая частица может находиться (и как правило находится) в «нескольких состояниях» сразу. На самом деле, не нужно слишком серьёзно воспринимать это утверждение. Эти «несколько состояний» — это на самом деле наша классическая интуиция. Мы определяем разные «состояния» исходя из каких-то своих (внешних и классических) соображений. А квантовая частица живёт по своим законам. У неё есть состояние. Точка. Всё что утверждение о «суперпозиции» означает — это то, что это состояние может сильно отличаться от наших классических представлений. Мы вводим классическое понятие траектории и применяем его к фотону в том состоянии, в котором ему нравится быть. А фотон говорит — «извините, моё любимое состояние таково, что в отношении этих ваших траекторий я нахожусь на обеих сразу!». Это не значит, что фотон совсем не может быть в состоянии, в котором траектория (более или менее) определена. Закроем одну из прорезей — и можно, до какой то степени, говорить о том, что фотон летит через вторую по определённой траектории, которую мы хорошо понимаем. То есть, такое состояние в принципе существует. Откроем обе — фотон предпочитает быть в суперпозиции.
То же самое относится к другим параметрам. Например, собственному угловому моменту, или спину. Помнишь, про два электрона, которые могут сидеть вместе на одной s-орбитали — если у них при этом противоположные спины? Вот это как раз оно. И у фотона тоже есть спин. Спин фотона хорош тем, что в классике он на самом деле соответствует поляризации световой волны. То есть используя всякие поляризаторы и прочие кристаллы, которые у нас есть, можно манипулировать спином (поляризацией) отдельных фотонов буде они у нас появятся (а они появятся).
Так вот, спин. Спин-то у электона есть (в надежде, что орбитали и электроны тебе роднее, чем фотоны, так-то всё то же самое), но электрону абсолютно безразлично в каком «спиновом состоянии» находиться. Спин — это вектор и мы можем пытаться говорить «спин смотрит вверх». Или «спин смотрит вниз» (относительно какого-нибудь нами же выбранного направления). А электрон нам говорит: «плевал я на вас, я могу находиться на обеих траекториях в обоих спиновых состояниях сразу». Здесь опять-таки очень важно, что не много электронов находятся в разных спиновых состояниях, в ансамбле, один смотрит вверх, другой вниз, а каждый отдельный электрон находится в обоих состояниях сразу. Точно так же как не разные электроны проходят через разные прорези, а один электрон (или фотон) проходит через обе прорези сразу. Электрон может находиться в состоянии с определённым направлением спина, если его очень попросить, но сам он этого делать не станет. Полу-качественно ситуацию можно описать так: 1) есть два состояния, |+1> (спин вверх) и |-1> (спин вниз); 2) в принципе, это — кошерные состояния, в которых электрон может существовать; 3) однако если не прилагать специальных усилий, электрон «размажется» по обоим состояниям и его состояние будет что-то вроде |+1> + |-1>, состояние, в котором электрон не обладает определённым направлением спина (совсем как траектория 1+траектория 2, правда?). Это и есть «суперпозиция состояний».
Про коллапс волновой функции.
Нам осталось совсем немного — понять что такое измерение и «коллапс волновой функции». Волновая функция — это то что мы выше написали, |+1> + |-1>. Просто описание состояния. Можно для простоты говорить о самом состоянии, как таковом, и о его «коллапсе», неважно. Происходит вот что: летит себе электрон в таком вот неопределённом состоянии духа, то ли он вверх, то ли вниз, то ли и то и другое сразу. Тут подбегаем мы с каким-нибудь устрашающего вида прибором и давай измерять направление спина. В данном конкретном случае достаточно сунуть электрон в магнитное поле: те электроны, у которых спин смотрит вдоль направления поля должны отклоняться в одну сторону, те у которых против поля — в другую. Мы сидим с другой стороны и потираем ручонки — видим в какую сторону электрон отклонился и сразу знаем, вверх у него смотрит спин или вниз. Фотоны можно совать в поляризационный фильтр — если поляризация (спин) +1 — фотон проходит, если -1, то нет.
Но позвольте — ведь у электрона не было определённого направления спина до измерения? Вот в этом вся фишка. Определённого — не было, но он был как бы «смешан» из двух состояний сразу, и в каждом из этих состояний направление очень даже было. В процессе измерения мы заставляем электрон принять решение, кем ему быть и куда смотреть — вверх или вниз. В вышеописанной ситуации мы, конечно, в принципе не можем предсказать заранее какое решение примет данный конкретный электрон, когда он влетит в магнитное поле. С вероятностью 50% он может решить «вверх», с такой же вероятностью — «вниз». Но уж как только он это решит — он находится в состоянии с определённым направлением спина. В результате нашего «измерения»! Это и есть «коллапс» — до измерения волновая функция (пардон, состояние) была |+1> + |-1>. После того как мы «измерили» и увидели, что электрон отклонился в определённую сторону — его направление спина определено и его волновая функция стала просто |+1> (или |-1>, если отклонился в другую). То есть состояние «сколлапсировало» на одну из своих составляющих; «подмешивания» второй составляющей больше нет и в помине!
В значительной степени этому было посвящено пустое философствование в исходной записи, и этим мне не нравится конец мультика. Там просто нарисован глаз и у неискушённого зрителя может возникнуть во-первых иллюзия некоей антропоцентричности процесса (мол, нужен наблюдатель, чтобы провести «измерение»), во-вторых его неинвазивности (ну, мы же просто смотрим!). Мои представления на эту тему были изложены выше. Во-первых, «наблюдатель» как таковой не нужен, конечно. Достаточно привести квантовую систему в контакт с большой, классической системой и всё произойдёт само собой (электроны будут влетать в магнитное поле и решать кем им быть независимо от того сидим мы с другой стороны и наблюдаем или нет). Во-вторых, неинвазивное классическое измерение квантовой частицы невозможно в принципе. Нарисовать глаз легко, а что значит «посмотреть на фотон и узнать куда он полетел»? Чтобы посмотреть нужно чтобы в глаз попали фотоны, желательно — много. Как можно так устроить, чтобы много фотонов прилетели и рассказали нам всё о состоянии одного несчастного фотона, состоянием которого мы интересуемся? Посветить на него фонариком? И что от него после этого останется? Ясно, что мы очень сильно повлияем на его состояние, возможно до такой степени, что ему и в одну из прорезей уже лезть не захочется. Это всё не так интересно. Но до интересного мы уже, наконец, добрались.
Про парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и когерентные (entangled) пары фотонов
Мы теперь знаем про суперпозицию состояний, но до сих пор мы говорили только об одной частице. Исключительно для простоты. Но всё же, что если частицы у нас две? Можно приготовить пару частиц во вполне себе квантовом состоянии, так что их общее состояние описывается одной, общей волновой функцией. Это, конечно, не просто — два произвольных фотона в соседних комнатах или электрона в соседних пробирках друг про друга и знать не знают, поэтому их можно и нужно описывать совершенно независимо. Поэтому как раз можно считать энергию связи, скажем, одного электрона на одном протоне в атоме водорода, совершенно не интересуясь другими электронами на марсе или даже на соседних атомах. Но если специально постараться, то квантовое состояние охватываюшее две частицы сразу можно создать. Это будет называться «когерентное состояние», применительно к парам частиц и всяким квантовым erasures и компютерам это ещё называют entangled state.
Двигаемся дальше. Мы можем знать (в силу ограничений, накладываемых процессом приготовления этого когерентного состояния), что, скажем, полный спин нашей системы из двух частиц равен нулю. Ничего страшного, мы же знаем, что спины двух электронов на s-орбитали обязаны быть антипараллельны, то есть полный спин — ноль, и это нас совершенно не пугает, правда? Чего мы не знаем — это куда смотрит спин конкретной частицы. Мы только знаем, что куда бы он не смотрел, спин второй должен смотреть в другую сторону. То есть, если мы обозначим наши две частицы (А) и (Б), то состояние может быть, в принципе, такое: |+1(А), -1(Б)> (А смотрит вверх, Б вниз). Это — разрешённое состояние, налагаемых ограничений оно не нарушает. Другая возможность — |-1(А), +1(Б)> (наоборот, А вниз, Б вверх). Тоже возможное состояние. Ещё не напоминает состояния, которые мы чуть раньше записывали для спина одного единственного электрона? Потому что наша система из двух частиц, пока она квантовая и когерентная, точно также может (и будет) находиться в суперпозиции состояний |+1(А); -1(Б)> + |-1(А); +1(Б)>. То есть, обе возможности реализованы одновременно. Как обе траектории фотона или оба направления спина одного электрона.
Измерять такую систему гораздо увлекательнее, чем отдельный фотон. Действительно, предположим, что мы измеряем спин только одной частицы, А. Мы уже поняли, что измерение — для квантовой частицы тяжёлый стресс, её состояние в процессе измерения сильно поменяется, произойдёт коллапс… Всё так, но — в данном-то случае есть ещё вторая частица, Б, которая намертво с А связана, у них волновая функция общая! Предположим, что мы измерили направление спина А и увидели, что оно +1. Но у А нет своей собственной волновой функции (или другими словами, своего собственного, независимого состояния), чтобы она сколлапсировала к |+1>. Всё что у А есть — это состояние «переплетённое» (entangled) с Б, выписанное выше. Если измерение А даёт +1 и мы знаем, что спины А и Б антипараллельны, мы знаем что спин Б смотрит вниз (-1). Волновая функция пары коллапсирует к чему может, а может она только к |+1(А); -1(Б)>. Других возможностей выписанная волновая функция нам не предоставляет.
Пока ничего? Подумаешь, полный спин сохраняется? Теперь представим себе, что мы создали такую пару А, Б и дали этим двум частицам разлетаться в разные стороны, оставаясь когерентными. Одна (А) долетела до Меркурия. А другая (Б), скажем, до Юпитера. В этот самый момент мы случились на Меркурии и измерили направление спина А. Что произошло? В этот же самый момент мы узнали направление спина Б и изменили волновую функцию Б! Обрати внимание, что это совсем не то же что в классике. Пускай два разлетающихся камня вращаются вокруг своей оси и пускай мы точно знаем, что они вращаются в противоположные стороны. Если мы измерим направление вращения одного, когда он достигнет Меркурия, мы тоже узнаем направление вращения второго, где бы он к тому моменту не оказался, хоть на Юпитере. Но эти камни всегда вращались в определённую сторону, до всяких наших измерений. И если кто-то измерит камень летящий к Юпитеру, то он(а) получит тот же самый и вполне определённый ответ, независимо от того, измерили мы что-то на Меркурии или нет. С нашими фотонами ситуация совершенно иная. Ни один из них не имел вообще никакого определённого направления спина до измерения. Если бы кто-то без нашего участия решил измерить направление спина Б где-нибудь в районе Марса, то он получил бы что? Правильно, с вероятностью 50% он увидел бы +1, с вероятностью 50% -1. Такое у Б состояние, суперпозиция. Если же этот кто-то решит измерить спин Б немедленно после того как мы уже измерили спин А, увидели +1 и вызвали коллапс *всей* волновой функции,
то он получит в результате измерения только -1, с вероятностью 100%! Только в момент нашего измерения А, наконец, решил кем ему быть и «выбрал» направление спина — и этот выбор мгновенно повлиял на *всю* волновую функцию и на состояние Б, который в этот момент уже находится чёрт знает где.
Вот эта-то неприятность и называется «нелокальность квантовой механики». Также известна как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR paradox) и, в общем, то что происходит в erasure с этим связано. Может быть я чего то недопонимаю, конечно, но на мой вкус erasure инетерсен тем, что это как раз эскпериментальная демострация нелокальности.
Упрощенно, эсксперимент с erasure может выглядеть так: создаём когерентные (entangled) пары фотонов. По одной: пара, потом следующая, и т.д. В каждой паре один фотон (А) летит в одну сторону, другой (Б) в другую. Всё как мы уже обсуждали чуть выше. На пути фотона Б ставим двойную прорезь и смотрим, что там за этой прорезью на стенке вырисовывается. Вырисовывается интерференционная картина, потому что каждый фотон Б, как мы знаем, летит по обеим траекториям, через обе прорези сразу (мы ещё помним про интерференцию, с которой мы начали эту историю, правда?). То, что Б ещё когерентно связан с А и имеет общую с А волновую функцию ему довольно фиолетово. Усложняем эксперимент: одну прорезь прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином +1. Вторую прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином (поляризацией) -1. Продолжаем наслаждаться интерференционной картиной, потому что в общем состоянии пары А,Б (|+1(А); -1(Б)> + |-1(А);+1(Б)>, как мы помним), присутствуют состояния Б и с тем и с другим спином. То есть «часть» Б может пройти через один фильтр/прорезь, часть — через другой. Так же как раньше одна «часть» летела по одной траектории, другая по другой (это, конечно, фигура речи, но факт остаётся фактом).
Наконец, кульминация: где-нибудь на меркурии, или чуть поближе, на другом конце оптического стола, мы ставим поляризационный фильтр на пути фотонов А, а за фильтром детектор. Пускай, для определённости, этот новый фильтр пропускает только фотоны со спином +1. Каждый раз когда срабатывает детектор, мы знаем что пролетел фотон А со спином +1 (спин -1 не пройдёт). Но это означает, что волновая функция всей пары сколлапсировала и у «брата» нашего фотона, у фотона Б, в этот момент осталось только одно возможное состояние -1. Всё. Фотону Б «нечем» теперь пролезать через, прорезь покрытую фильтром, пропускающим только поляризацию +1. У него просто не осталось такой составляюшей. «Узнать» этот фотон Б очень просто. Мы ведь создаём пары по одной. Когда мы регистрируем фотон А, прошедший через фильтр, мы записываем время, в которое он пришёл. Пол-второго, например. Значит, его «брат» Б прилетит на стенку тоже в пол-второго. Ну или в 1:36, если ему лететь чуть дальше и, следовательно, дольше. Там мы тоже записываем времена, то есть можем сопоставить кто есть кто и кто кому родственник.
Так вот, если мы теперь посмотрим какая картинка вырисовывается на стенке, мы не обнаружим никакой интерференции. Фотон Б из каждой пары проходит либо через одну прорезь, либо через другую. На стенке — два пятна. Теперь, убираем фильтр с пути фотонов А. Интерференционная картина восстанавливается.
…и наконец про delayed choice
Совсем паскудной ситуация становится, когда фотону А лететь до своего фильтра/детектора дольше, чем фотону Б до прорезей. Мы производим измерение (и заставляем А решить, а волновую функцию сколлапсировать) после того как Б должен был бы уже долететь до стенки и создать интерференционную картину. Однако, пока мы измеряем А, даже «позже, чем следует», интерференционная картина для фотонов Б всё равно пропадает. Убираем фильтр для А — восстанавливается. Это уже — delayed erasure. Не могу сказать, что я хорошо понимаю с чем это едят.
Поправки и уточнения.
Всё было правильно, с поправкой на неизбежные упрощения, до тех пор, пока мы не построили прибор с двумя entangled фотонами. Сначала интерференция у фотона Б есть. С фильтрами, похоже, не получится. Закрывать нужно пластинками, которые меняют поляризацию с линейной на круговую. Это уже сложнее обяснить 😦 Но главное не это. Главное, что когда мы так закрываем прорези разными фильтрами, то интерференция пропадает. Не в тот момент, когда мы измеряем фотон А, а сразу. Хитрая фишка состоит в том, что поставив фильтры пластинки мы «пометили» фотоны Б. Другими словами, фотоны Б несут на себе дополнительную информацию, позволяющую узнать по какой именно траектории они пролетели. *Если* мы измерим фотон А, то мы сможем узнать по какой именно траектории пролетел Б, значит и интерференции у Б не будет. Тонкость состоит в том, что физически «измерять» А не обязательно! Тут я в прошлый раз грубо ошибся. Не нужно измерять А, чтобы интерференция пропала. Если *можно* измерить и узнать по какой из траекторий пролетел фотон Б, то уже в этом случае интерференции не будет.
На самом деле, это ещё можно пережить. Там, по ссылке ниже народ как-то несколько беспомощно руками разводит, но по-моему (может быть я опять неправ? 😉) объяснение такое: сунув в прорези фильтры мы уже сильно изменили систему. Неважно, зарегистрировали мы реально поляризацию или траекторию по которой фотон прошёл или махнули в последний момент рукой. Важно что мы всё «приготовили» для измерения, уже повлияли на состояния. Поэтому, собственно «измерять» (в смысле сознательного человекоподобного наблюдателя, принесшего градусник и записавшего результат в журнал) ничего не нужно. Всё в некотором смысле (в смысле воздействия на систему) уже «измерено». Утверждение обычно формулируется так: «*если* мы измерим поляризацию фотона А, то мы будем знать поляризацию фотона Б, а следовательно и его траекторию, ну а раз фотон Б летит по определённой траектории, то интерференции не будет; мы можем даже не проводить измерение фотона А — достаточно того, что это измерение возможно, фотон Б знает о том, что его можно измерить и отказывается интерферировать». Есть в этом некоторая мистификация. Ну да, отказывается. Просто потому что систему так приготовили. Если в системе есть дополнительная информация (есть способ) определить по какой из двух траекторий пролетел фотон, то и интерференции не будет.
Если я тебе скажу, что я всё устроил так, чтобы фотон летел только через одну прорезь, ты ведь сразу поймешь что интерференции не будет? Можешь бежать проверять («измерять») и убеждаться, что я правду говорю, а можешь и так поверить. Если я не соврал, то интерференции не будет безотносительно того бросишься ты меня проверять или нет 🙂 Соответственно, фраза «можно измерить» на деле означает «система приготовлена таким специальным образом что…». Приготовлена и приготовлена, то есть в этом месте ещё коллапса никакого нет. Есть «помеченные» фотоны и отсутствие интерференции.
Вот дальше — почему, собственно, erasure это всё называется — нам говорят: а давайте-ка подействуем на систему так, чтобы «стереть» эти метки с фотонов Б — тогда они снова начнут интерферировать. Интересный момент, к которому мы уже подходили, хотя и в ошибочной модели, состоит в том, что фотоны Б можно не трогать, и пластинки в прорезях оставить. Можно подёргать за фотон А и так же как при коллапсе, изменение его состояния вызовет (нелокально) изменение полной волновой функции системы так, что информации, достаточной для определения через какую щель прошёл фотон Б, у нас больше не будет. То есть, вставляем на пути фотона А поляризатор — интерференция фотонов Б восстанавливается. С delayed всё то же самое — делаем так, что фотону А лететь до поляризатора дольше, чем Б до прорезей. И всё равно если на пути у А есть поляризатор, то Б интерферирует (хотя как бы «до того» как А долетел до поляризатора)!
Feed. You can , or from your own site.
В 1803 году Томас Юнг направил пучок света на непрозрачную ширму с двумя прорезями. Вместо ожидаемых двух полосок света на проекционном экране он увидел несколько полос, как если бы произошла интерференция (наложение) двух волн света из каждой прорези. Фактически именно в этот момент зародилась квантовая физика, вернее вопросы у её основы. В XX и XXI веках было показано, что не только свет, но любая одиночная элементарная частица и даже некоторые молекулы ведут себя как волна, как кванты, будто проходя через обе щели одновременно. Однако если поставить у щелей датчик, который определяет, что именно происходит с частицей в этом месте и через какую именно щель она все-таки проходит, то на проекционном экране появляются только две полосы, словно факт наблюдения (косвенного влияния) рушит волновую функцию и объект ведет себя как материя. ( видео)
Принципа неопределенности Гейзенберга – фундамент квантовой физики!
Благодаря открытию 1927 года тысячи ученых и студентов повторяют один и тот же простой эксперимент, пропуская лазерный луч через сужающуюся щель. Логично, видимый след от лазера на проекционном экране становится все уже и уже вслед за уменьшением зазора. Но в определенный момент, когда щель становится достаточно узкой, пятно от лазера вдруг начинает становиться шире и шире, растягиваясь по экрану и тускнея пока щель не исчезнет. Это самое очевидное доказательство квинтэссенции квантовой физики - принципа неопределенности Вернера Гейзенберга, выдающегося физика-теоретика. Суть его в том, что чем точнее мы определяем одну из парных характеристик квантовой системы, тем более неопределенней становится вторая характеристика. В данном случае, чем точнее мы определяем сужающейся щелью координаты фотонов лазера, тем неопределеннее становится импульс этих фотонов. В макромире мы точно также можем измерить либо точное местоположение летящего меча, взяв его в руки, либо его направление, но никак не одновременно, так как это противоречит и мешает друг другу. ( , видео)
Квантовая сверхпроводимость и эффект Мейснера
В 1933 году Вальтер Мейснер обнаружил интересное явление в квантовой физике: в охлажденном до минимальных температур сверхпроводнике магнитное поле вытесняется за его пределы. Это явление получило название эффект Мейснера. Если обычный магнит положить на алюминий (или другой сверхпроводник), а затем его охладить жидким азотом, то магнит взлетит и зависнет в воздухе, так как будет «видеть» вытесненное из охлажденного алюминия свое же магнитное поле той же полярности, а одинаковые стороны магнитов отталкиваются. ( , видео)
Квантовая сверхтекучесть
В 1938 году Петр Капица охладил жидкий гелий до близкой к нулю температуры и обнаружил, что у вещества пропала вязкость. Это явление в квантовой физике получило название сверхтекучесть. Если охлажденный жидкий гелий налить на дно стакана, то он все равно вытечет из него по стенкам. Фактически, пока гелий достаточно охлажденный для него нет пределов, чтобы разлиться, вне зависимости от формы и размера емкости. В конце XX и начале XXI веков сверхтекучесть при определенных условиях была также обнаружена у водорода и различных газов. ( , видео)
Квантовый туннелинг
В 1960 году Айвор Джайевер проводил электрические опыты со сверхпроводниками, разделенными микроскопической пленкой непроводящего ток оксида алюминия. Выяснилось, что вопреки физике и логике часть электронов все равно проходит через изоляцию. Это подтвердило теорию о возможности квантового туннельного эффекта. Он распространяется не только на электричество, но и любые элементарные частицы, они же волны согласно квантовой физике. Они могут проходить препятствия насквозь, если ширина этих препятствий меньше длины волны частицы. Чем препятствие уже, тем чаще частицы проходят сквозь них. ( , видео)
Квантовая запутанность и телепортация
В 1982 году физик Ален Аспэ, будущий лауреат Нобелевской премии, направил два одновременно созданных фотона на разнонаправленные датчики определения их спина (поляризации). Оказалось, что измерение спина одного фотона мгновенно влияет на положение спина второго фотона, который становится противоположным. Так была доказана возможность квантовой запутанности элементарных частиц и квантовая телепортация. В 2008 году ученым удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов на расстоянии 144 километров и взаимодействие между ними все равно оказалось мгновенным, как если бы они были в одном месте или не было пространства. Считается, что если такие квантово-запутанные фотоны окажутся в противоположных участках вселенной, то взаимодействие между ними все равно будет мгновенным, хотя свет это же расстояние преодолевает за десятки миллиардов лет. Любопытно, но согласно Эйнштейну для летящих со скоростью света фотонов времени тоже нет. Совпадение ли это? Так не думают физики будущего! ( , видео)
Квантовый эффект Зенона и остановка времени
В 1989 году группа ученых под руководством Дэвида Вайнленда наблюдала за скоростью перехода ионов бериллия между атомными уровнями. Выяснилось, что сам факт измерения состояния ионов замедлял их переход между состояниями. В начале XXI века в подобном эксперименте с атомами рубидия удалось достичь 30-кратного замедления. Все это является подтверждением квантового эффект Зенона. Его смысл в том, что сам факт измерения состояния нестабильной частицы в квантовой физике замедляет скорость ее распада и в теории может его полностью остановить. ( , видео англ.)
Квантовый ластик с отложенным выбором
В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. ( , видео англ.)
Квантовая суперпозиция и кот Шредингера
В 2010 году Аарон О’Коннелл поместил небольшую металлическую пластину в непрозрачную вакуумную камеру, которую охладил почти до абсолютного нуля. Затем он придал импульс пластине, чтобы она вибрировала. Однако датчик положения показал, что пластина вибрировала и была спокойна одновременно, что точно соответствовало теоретической квантовой физике. Этим впервые был доказан принцип суперпозиции на макрообъектах. В изолированных условиях, когда не происходит взаимодействия квантовых систем, объект может одновременно находиться в неограниченном количестве любых возможных положений, как если бы он больше не был материальным. ( , видео)
Квантовый Чеширский кот и физика
В 2014 году Тобиас Денкмайр и его коллеги разделили поток нейтронов на два пучка и провели серию сложных измерений. Выяснилось, что при определенных обстоятельствах нейтроны могут находиться в одном пучке, а их же магнитный момент в другом пучке. Таким образом был подтвержден квантовый парадокс улыбки Чеширского кота, когда частицы и их свойства могут находиться по нашему восприятию в разных частях пространства, как улыбка отдельно от кота в сказки «Алиса в стране чудес». В очередной раз квантовая физика оказалась загадочней и удивительней любой сказки! ( , видео англ .)
Спасибо за чтение! Теперь вы стали немного умнее и от этого наш мир чуточку посветлел. Поделитесь ссылкой на эту статью с друзьями и мир станет еще лучше!
