Объясняем квантовую физику

magman67 — 06.12.2024 Внимательно изучите невероятные теории, сумасшедшие эксперименты и практические приложения того, что может быть самым странным из всех научных предметов.

Эндрю Мэй, How It Works No 197 2025.

Возникнув в начале 20-го века, квантовая теория приобрела очарование и экзотическую привлекательность, совершенно непохожую ни на одну другую отрасль физики. Фильмы, видеоигры и комиксы регулярно обращаются к ней, чтобы объяснить невозможные гаджеты и сверхспособности, в то время как модные мистики и гуру здоровья присвоили её жаргон в своих целях. Но важно различать науку и псевдонауку и отделять факты от вымысла. И как бы удивительно это ни звучало, истинная квантовая физика столь же рациональна, уравновешена и четко определена, как и любая другая область науки. Разница в том, что она имеет дело с явлениями, которые проявляются только в крошечных, субатомных масштабах, которые лежат далеко за пределами нашего обычного повседневного существования и часто могут бросить вызов всем нашим представлениям о «здравом смысле».




На следующих нескольких страницах мы демистифицируем некоторые из самых загадочных уголков квантовой теории, от корпускулярно-волнового дуализма и принципа неопределенности до печально известного случая кота Шредингера, который может быть и мёртвым, и живым одновременно. Мы также увидим, как современные ученые опираются на квантовую механику, чтобы придать хотя бы крупицу достоверности давно устоявшимся концепциям научной фантастики, таким как телепортация, телепатия и путешествия во времени.

Но как бы ни были интересны такие идеи, величайшая ценность квантовой науки заключается в её практическом применении в реальных технологиях. Светодиоды, освещающие наши дома, микропроцессоры внутри наших мобильных телефонов, атомные часы, которые делают GPS-навигацию такой точной, и даже лазеры, которые питают любимые игрушки наших кошек, просто не были бы возможны без квантовой теории. Мы более подробно рассмотрим эти приложения, а также более специализированные, такие как сверхпроводящие магниты, электронные микроскопы и новые области квантовых вычислений и криптографии.



К концу XIX века физики разработали чёткую концепцию энергии — физической величины, которая хранится в электрической форме в батарее, например, или вырабатывается печью в виде тепла. Все предполагали, что энергия — это непрерывно изменяющаяся величина, и что её значение увеличивается или уменьшается плавно, а не дискретными скачками. Однако, как бы разумно это ни звучало, в начале XX века стало ясно, что это неверно — по крайней мере, иногда. В микроскопически малых системах, таких как фотоны, переносящие энергию света, или энергетические уровни, занимаемые электронами внутри атома, казалось, что энергия «квантуется» — способна принимать только определенные дискретные значения. Это было началом квантовой революции.

Само слово «квант» впервые было использовано немецким физиком Максом Планком около 1900 года для обозначения крошечных, неделимых пакетов энергии, переносимых фотонами. В то время Планку было уже за 40, но вскоре к его открытиям присоединился гораздо более молодой соотечественник, которому суждено было стать самым известным физиком из всех: Альберт Эйнштейн. Хотя квантовая физика Планка и Эйнштейна была достаточно странной, однако это было только начало.

В середине 1920-х годов в этой области произошла вторая революция, которая превратила её в нечто поистине странное и головокружительное. В руках таких ученых, как Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, ничего не подозревающий мир внезапно открыл для себя тайны корпускулярно-волнового дуализма, принципа неопределенности и смутно мистического представления о том, что квантовые частицы существуют в «суперпозициях» множества различных состояний, пока кто-то их не наблюдает.




Хотя Эйнштейн сыграл важную роль в первоначальном развитии квантовой теории, он был глубоко недоволен этими более поздними разработками. Его проблема была не столько в математической формулировке теории, в которой он не мог придраться, сколько в её псевдомистических философских импликациях. В частности, ему не нравилась так называемая «копенгагенская интерпретация», которая утверждает, что квантовые системы остаются в неопределенном состоянии, пока их не наблюдают. Практически все коллеги Эйнштейна-физики приняли эту идею, за исключением Шредингера, который зашел так далеко, что сказал, что ненавидит квантовую механику и сожалеет, что имеет к ней какое-либо отношение. Для нефизиков Шредингер лучше всего запомнился своим мысленным экспериментом с квантовым котом, который он изначально придумал, чтобы подчеркнуть абсурдность копенгагенской интерпретации, хотя в наши дни её часто представляют как её откровенную иллюстрацию.

Хотя большинство физиков продолжают принимать копенгагенскую интерпретацию, у неё есть несколько недостатков, которые беспокоят философов и других, кто тщательно о ней размышляет. Это привело к появлению целого ряда альтернативных интерпретаций, из которых, возможно, наиболее интригующей является гипотеза множественных миров. Она предполагает, что каждая квантовая система существует в каждом из своих возможных состояний, но каждое из них находится в другой «параллельной» вселенной. К сожалению, в отличие от параллельных миров научной фантастики, мы навсегда ограничены нашим собственным миром и не имеем возможности путешествовать ни в один из других.


ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Один из центральных принципов квантовой теории был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Само его название, принцип неопределенности, сделало его любимым среди мистиков и авторов научной фантастики с тех пор. Но принцип Гейзенберга не просто даёт расплывчатое утверждение вроде «всё неопределенно». Это математическая формула, которая возникает из волновой природы субатомных частиц. Он гласит, что если мы очень точно измеряем одно свойство частицы, то есть какое-то другое свойство, которое становится невозможным точно измерить. Например, если мы знаем точное положение частицы, мы не сможем измерить её точную скорость, и наоборот. Как бы странно это ни звучало, это аналогично тому, что мы принимаем как должное в контексте звуковых волн, где мы можем указать время, но не высоту звука выстрела, или высоту звука, но не время протяжной скрипичной ноты.


КОТ ШРЕДИНГЕРА

Возможно, самым известным примером квантовой странности является мысленный эксперимент с котом Шредингера, который подчеркивает несоответствие между микроскопическим миром квантовой физики и нашим повседневным «макроскопическим» миром. Одной из самых странных концепций в квантовой теории является идея о том, что системы атомного масштаба приходят в чётко определенные состояния только тогда, когда за ними наблюдают — до этого они существуют в комбинации или «суперпозиции» возможных состояний. В мысленном эксперименте кот заключен в коробку, содержащую квантовую систему, которая находится в одном из двух состояний. В одном состоянии он запускает пузырек с ядом, который убивает кота, в другом — нет. Так находится ли кот сам в суперпозиции, одновременно живой и мертвый? Некоторые отчеты предполагают, что ответ — да, но это, вероятно, не так. Заблуждение возникает из-за того, что на самом деле невозможно, чтобы одна квантовая система управляла гораздо более крупным объектом, таким как кот.


КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Когда физики впервые начали серьезно думать о свете, они не были уверены, является ли это быстро движущимся потоком частиц или волной, аналогичной звуковой волне. Уникальным свойством волн является то, что, в отличие от потока частиц, они могут интерферировать друг с другом, создавая отличительные узоры на экране — эффект, который Томас Юнг продемонстрировал со светом в 1801 году. Это, казалось, решило вопрос, пока в начале следующего столетия Планк и Эйнштейн не показали, что световая энергия передается дискретными пакетами — определенно корпускулярно-подобное, а не волнообразное поведение. Более поздние эксперименты показали, что такая же неоднозначность существует для электронов и других субатомных частиц. Сейчас принято считать, что квантовые системы могут проявлять как корпускулярные, так и волновые свойства в зависимости от обстоятельств.





ЗАПУТАННОСТЬ

Представьте себе квантовую систему, состоящую из двух частиц, с объединенным квантовым состоянием, описывающим все свойства обеих частиц. До того, как будет сделано измерение любой из частиц, они будут существовать в суперпозиции всех возможных состояний и будут продолжать это делать независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Если измерение сделано для одной частицы, то другая частица внезапно перейдет в тот же тип возможных состояний. Это будет верно, даже если они находятся на расстоянии тысяч миль друг от друга. Технический термин для этого явления — «квантовая запутанность», но Эйнштейн дал ему гораздо более выразительное название «странное действие на расстоянии».


ПСЕВДОТЕЛЕПАТИЯ

Представьте себе игру, в которой два игрока должны вводить числа в квадратную сетку. Цель состоит в том, чтобы игроки достигли последовательного результата. Им не разрешается разговаривать, поэтому успех зависит от чистой случайности — если только они не телепаты. Даже квантовая физика не делает это возможным, но она допускает своего рода «псевдотелепатию», которая опирается на квантовую запутанность, чтобы сделать игру выигрышной каждый раз: если это игра под названием «магический квадрат Мермина-Переса», которая играется на квантовом уровне. Первоначально придуманная как мысленный эксперимент в 1990 году, она была наконец продемонстрирована китайскими исследователями в июле 2022 года.


ПУТЕШЕСТВИЕ ВО ВРЕМЕНИ

Если квантовая запутанность может сделать телепортацию и псевдотелепатию возможными, как она обстоит с другим основным элементом научной фантастики — путешествием назад во времени для изменения ранее принятого решения? Удивительно, но это может сделать возможным и это, но только в контексте измерений в квантовом масштабе, а не, скажем, ставок на спортивные события или инвестиций на фондовом рынке. В теоретическом исследовании 2023 года исследовательская группа описала, как может работать квантовое путешествие во времени: одна частица запутанной пары используется для выполнения измерения, затем вторая частица манипулируется таким образом, чтобы задним числом изменить первую, так что она выполняет другое измерение. Это может быть полезным инструментом в области квантовой метрологии, которая использует квантовые частицы для выполнения высокочувствительных измерений.


ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ТЕЛЕПОРТАЦИИ

Телепортация людей и предметов — это известный трюк в научной фантастике — идея заключается в том, что оригинал исчезает из своего начального местоположения, а его точная копия одновременно появляется в другом месте. Хотя транспортировка больших объектов, подобных этому, вероятно, навсегда останется фантастикой, ученые способны сделать что-то очень похожее на квантовом уровне. Это включает в себя использование «квантовой запутанности» пары частиц, которые могут находиться на большом расстоянии друг от друга, чтобы превратить одну из них в дубликат третьей частицы, которая в конечном итоге уничтожается в процессе. Возможность квантовой телепортации была впервые продемонстрирована в 1998 году, и с тех пор было проведено несколько успешных испытаний. Один из самых впечатляющих, датируемый 2012 годом, проиллюстрирован здесь. Он включал телепортацию фотона — частицы света — на расстояние 89 миль между Ла-Пальмой и Тенерифе на Канарских островах.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив