Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами , какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.
Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому .
Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось…
К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.
Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.
В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.
В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий с очень высокой точностью.
Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.
В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.
Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.
В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.
Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор
1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.
Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.
Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.
Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.
Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического .
Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения -Больцмана…
Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).
Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.
Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.
Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.
Что изучает квантовая физика?
Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).
Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10 −8 см и меньше. Это:
- молекулы,
- атомы,
- атомные ядра,
- элементарные частицы.
Главные характеристики микрообъектов — масса покоя и электрический заряд. Масса одного электрона (me) равна 9,1 · 10 −28 г.
Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.
Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.
Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10 −19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.
Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы
Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.
К числу свойств микрообъектов относится спин (в дословном переводе с английского — «вращаться»).
Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.
Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.
Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.
Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира, большая часть которых – нестабильных объектов — самопроизвольно распадается, превращаясь в другие квантовые объекты.
Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.
Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.
Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.
То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.
Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.
Квантовая физика – это не просто новомодная теория.
Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.
Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).
Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.
Значение квантовой физики
Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.
Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.
Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.
Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира
Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики .
Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем ), свойства молекул и атомов, их строение.
Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).
Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.
Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию , квантовой электроники, техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.
Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание , космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это .
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика - не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.
Никто в этом мире не понимает, что такое квантовая механика. Это, пожалуй, самое главное, что нужно знать о ней. Конечно, многие физики научились использовать законы и даже предсказывать явления, основанные на квантовых вычислениях. Но до сих пор неясно, почему наблюдатель эксперимента определяет поведение системы и заставляет ее принять одно из двух состояний.
Перед вами несколько примеров экспериментов с результатами, которые неизбежно будут меняться под влиянием наблюдателя. Они показывают, что квантовая механика практически имеет дело с вмешательством сознательной мысли в материальную реальность.
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики , но Копенгагенская интерпретация, пожалуй, является самой известной. В 1920-х ее общие постулаты были сформулированы Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.
В основу Копенгагенской интерпретации легла волновая функция. Это математическая функция, содержащая информацию о всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она существует одновременно. Как утверждает Копенгагенская интерпретация, состояние системы и ее положение относительно других состояний может быть определено только путем наблюдения (волновая функция используется только для того, чтобы математически рассчитать вероятность нахождения системы в одном или другом состоянии).
Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической и немедленно прекращает свое существование в других состояниях, кроме того, в котором была замечена. Такой вывод нашел своих противников (вспомните знаменитое эйнштейновское «Бог не играет в кости»), но точность расчетов и предсказаний все же возымели свое.
Тем не менее число сторонников Копенгагенской интерпретации снижается, и главной причиной этого является таинственный мгновенный коллапс волновой функции в ходе эксперимента. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедным котиком должен продемонстрировать абсурдность этого явления. Давайте вспомним детали.
Внутри черного ящика сидит черный кот и вместе с ним флакон с ядом и механизм, который может высвободить яд случайным образом. Например, радиоактивный атом во время распада может разбить пузырек. Точное время распада атома неизвестно. Известен только период полураспада, в течение которого распад происходит с вероятностью 50%.
Очевидно, что для внешнего наблюдателя кот внутри коробки находится в двух состояниях: он либо жив, если все пошло хорошо, либо мертв, если распад произошел и флакон разбился. Оба этих состояния описываются волновой функцией кота, которая меняется с течением времени.
Чем больше времени прошло, тем больше вероятность того, что радиоактивный распад случился. Но как только мы открываем коробку, волновая функция коллапсирует, и мы сразу же видим результаты этого бесчеловечного эксперимента.
На самом деле, пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет бесконечно балансировать между жизнью и смертью, или будет одновременно жив и мертв. Его судьба может быть определена только в результате действий наблюдателя. На этот абсурд и указал Шредингер.
Согласно опросу знаменитых физиков, проведенному The New York Times, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Какова его природа? Существует источник, который излучает пучок электронов на светочувствительный экран. И есть препятствие на пути этих электронов, медная пластина с двумя щелями.
Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).
Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним — даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.
Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.
Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.
2. Подогретые фуллерены
Эксперименты по дифракции частиц проводились не только с электронами, но и другими, гораздо более крупными объектами. Например, использовались фуллерены, большие и закрытые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Недавно группа ученых из Венского университета под руководством профессора Цайлингера пыталась включить элемент наблюдения в эти эксперименты. Чтобы сделать это, они облучали движущиеся молекулы фуллеренов лазерными лучами. Затем, нагретые внешним источником, молекулы начинали светиться и неизбежно отображать свое присутствие для наблюдателя.
Вместе с этим нововведением изменилось и поведение молекул. До начала такого всеобъемлющего наблюдения фуллерены довольно успешно избегали препятствия (проявляя волновые свойства), аналогично предыдущему примеру с электронами, попадающими на экран. Но с присутствием наблюдателя фуллерены стали вести себя как совершенно законопослушные физические частицы.
3. Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов в мире квантовой физики является принцип неопределенности Гейзенберга , согласно которому невозможно определить скорость и положение квантового объекта одновременно. Чем точнее мы измеряем импульс частицы, тем менее точно мы можем измерить ее позицию. Однако в нашем макроскопическом реальном мире обоснованность квантовых законов, действующих на крошечные частицы, обычно остается незамеченной.
Недавние эксперименты профессора Шваба из США вносят весьма ценный вклад в эту область. Квантовые эффекты в этих экспериментах были продемонстрированы не на уровне электронов или молекул фуллеренов (примерный диаметр которых составляет 1 нм), а на более крупных объектах, крошечной алюминиевой ленте. Эта лента была зафиксирована с обеих сторон так, чтобы ее середина находилась в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом было помещено устройство, способное точно записывать положение ленты. В результате эксперимента обнаружилось несколько интересных вещей. Во-первых, любое измерение, связанное с положением объекта, и наблюдение за лентой влияло на нее, после каждого измерения положение ленты изменялось.
Экспериментаторы определили координаты ленты с высокой точностью, и таким образом, в соответствии с принципом Гейзенберга, изменили ее скорость, а значит и последующее положение. Во-вторых, что было довольно неожиданным, некоторые измерения привели к охлаждению ленты. Таким образом, наблюдатель может изменить физические характеристики объектов одним своим присутствием.
4. Замерзающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с котами, но и сами по себе. Каждая частица имеет средний срок жизни, который, как выясняется, может увеличиться под бдительным оком наблюдателя. Этот квантовый эффект был предсказан еще в 60-х годах, а его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной группой под руководством нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучался распад нестабильных возбужденных атомов рубидия. Сразу после подготовки системы атомы возбуждались с помощью лазерного луча. Наблюдение проходило в двух режимах: непрерывном (система постоянно подвергалась небольшим световым импульсам) и импульсном (система время от времени облучалась более мощными импульсами).
Полученные результаты полностью соответствовали теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их в исходное состояние, которое далеко от состояния распада. Величина этого эффекта также совпадала с прогнозами. Максимальный срок существования нестабильных возбужденных атомов рубидия увеличивался в 30 раз.
5. Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают показывать свои волновые свойства, алюминиевые пластинки остывают, а нестабильные частицы замедляют свой распад. Бдительное око наблюдателя буквально меняет мир. Почему это не может быть доказательством причастности наших умов к работе мира? Возможно, Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийский физик, лауреат Нобелевской премии, пионер квантовой механики) были правы, в конце концов, когда заявили, что законы физики и сознания следует рассматривать как дополняющие одно другое?
Мы находимся в одном шаге от признания того, что мир вокруг нас — просто иллюзорный продукт нашего разума . Идея страшная и заманчивая. Давайте попробуем снова обратиться к физикам. Особенно в последние годы, когда все меньше и меньше людей верят Копенгагенской интерпретации квантовой механики с ее загадочными коллапсами волновой функции, обращаясь к более приземленной и надежной декогеренции.
Дело в том, что во всех этих экспериментах с наблюдениями экспериментаторы неизбежно влияли на систему. Они зажигали ее с помощью лазера и устанавливали измерительные приборы. Их объединял важный принцип: вы не можете наблюдать за системой или измерять ее свойства, не взаимодействуя с ней. Любое взаимодействие есть процесс модификации свойств. Особенно когда крошечная квантовая система подвергается воздействию колоссальных квантовых объектов. Некий вечно нейтральный буддист-наблюдатель невозможен в принципе. И здесь в игру вступает термин «декогеренция», который является необратимым с точки зрения термодинамики: квантовые свойства системы меняются при взаимодействии с другой крупной системой.
Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои первоначальные свойства и становится классической, словно «подчиняясь» крупной системе. Это объясняет и парадокс кота Шредингера: кот — это слишком большая система, поэтому ее нельзя изолировать от остального мира. Сама конструкция этого мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, если допустить реальность акта творения сознанием, декогеренция представляется гораздо более удобным подходом. Возможно, даже слишком удобным. При таком подходе весь классический мир становится одним большим следствием декогеренции. И как заявил автор одной из самых известных книг в этой области, такой подход логически приводит к заявлениям типа «в мире нет частиц» или «нет времени на фундаментальном уровне».
В чем правда: в создателе-наблюдателе или мощной декогеренции? Нам нужно выбрать между двух зол. Тем не менее ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты — проявление наших психических процессов. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.
WikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 11 человек(а).
Квантовая физика (она же квантовая теория или квантовая механика) – это отдельное направление физики, которое занимается описанием поведения и взаимодействия материи и энергии на уровне элементарных частиц, фотонов и некоторых материалов при очень низких температурах. Квантовое поле определяется как «действие» (или в некоторых случаях угловой момент) частицы, что по размеру находится в пределах величины крошечной физической константы, которая называется постоянной Планка.
Шаги
постоянная Планка
- Например, момент импульса электрона, привязанного к атому или молекуле, квантуется и может принимать только значения кратные приведенной постоянной Планка. Это квантование увеличивает орбиталь электрона на серию целого первичного квантового числа. В отличие от этого, момент импульса несвязанных электронов, находящихся рядом, не квантуется. Постоянная Планка также применяется в квантовой теории света, где квантом света является фотон, и материя взаимодействует с энергией посредством перехода электронов между атомами или «квантового скачка» связанного электрона.
- Единицы постоянной Планка также можно рассматривать как время момента энергии. Например, в предметной области физики элементарных частиц, виртуальные частицы представлены, как масса частиц, которые спонтанно возникают из вакуума на очень малом участке и играют роль в их взаимодействии. Предел жизни этих виртуальных частиц – это энергия (масса) каждой частицы. Квантовая механика имеет большую предметную область, но в каждой математической ее части присутствует постоянная Планка.
-
Узнайте о тяжелых частицах. Тяжелые частицы проходят от классического к квантовому энергетическому переходу. Даже если свободный электрон, обладающий некоторыми квантовыми свойствами (таким как вращение), в качестве несвязанного электрона, приближается к атому и замедляется (возможно, из-за испускания им фотонов), он переходит от классического к квантовому поведению, так как его энергия опускается ниже энергии ионизации. Электрон связывается с атомом и его момент импульса по отношению к атомному ядру ограничивается тем квантовым значением орбитали, которую он может занять. Этот переход внезапен. Его можно сравнить с механической системой, которая изменяет свое состояние от нестабильного к стабильному, или ее поведение меняется с простого на хаотическое, или можно даже сравнить с ракетным кораблем, который замедляется и идет ниже скорости отрыва, и занимает орбиту вокруг какой-нибудь звезды или другого небесного объекта. В отличие от них, фотоны (которые невесомы) такой переход не осуществляют: они просто пересекают пространство без изменений до тех пор, пока не взаимодействуют с другими частицами и не исчезают. Если вы посмотрите в ночное небо, фотоны от некоторых звезд без изменений пролетают долгие световые годы, затем взаимодействуют с электроном в молекуле вашей сетчатки, испуская свою энергию, а затем исчезая.
Начните с изучения физического понятия постоянной Планка. В квантовой механике, постоянная Планка – это квант действия, обозначается как h . Аналогично, для взаимодействующих элементарных частиц, квант момента импульса - это приведенная постоянная Планка (постоянная Планка поделенная на 2 π) обозначается как ħ и называется «h с чертой». Значение постоянной Планка чрезвычайно мало, она объединяет те моменты импульса и обозначения действий, что имеют более общую математическую концепцию. Название квантовая механика подразумевает, что некоторые физические величины, подобные моменту импульса могут меняться только дискретно , а не непрерывным (см. аналоговым) способом.
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!
