Tu som viedol niekoľko dní rozhovor na túto tému oneskorená voľba kvantové vymazanie, ani nie tak diskusia, ako trpezlivé vysvetľovanie základov kvantovej fyziky mojím úžasným priateľom dr_tambowskym. Keďže som sa v škole neučil dobre fyziku a v starobe ju nasávam ako špongia. Rozhodol som sa zhromaždiť vysvetlivky na jednom mieste, možno pre niekoho iného.
Na začiatok odporúčam pozrieť si karikatúru pre deti o rušení a venovať pozornosť „oku“. Pretože o to vlastne ide.
Potom sa môžete pustiť do čítania textu od dr_tambowského, ktorý nižšie citujem celý, alebo ak ste šikovný a dôvtipný, môžete si ho prečítať hneď. Alebo ešte lepšie, oboje.
Čo je rušenie?
Je tu naozaj veľa rôznych termínov a pojmov a sú veľmi zmätené. Poďme pekne po poriadku. Po prvé, rušenie ako také. Existuje nespočetné množstvo príkladov interferencie a existuje veľa rôznych interferometrov. Konkrétnym experimentom, ktorý sa neustále navrhuje a často používa v tejto vede o vymazávaní (väčšinou preto, že je jednoduchý a pohodlný), sú dve štrbiny vyrezané vedľa seba, paralelne k sebe, v nepriehľadnej obrazovke. Najprv si posvietime na takýto dvojitý slot. Svetlo je vlna, však? A neustále pozorujeme interferenciu svetla. Berte to tak, že ak na tieto dve štrbiny posvietime svetlom a na druhú stranu položíme zástenu (alebo len stenu), potom na tejto druhej zástene tiež uvidíme interferenčný obrazec – namiesto dvoch jasných svetelných bodov “ prechádzajúci štrbinami“ na druhej obrazovke (stene) bude plot striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov. Ešte raz si všimnime, že ide o čisto vlnovú vlastnosť: ak hádžeme kamienky, potom tie, ktoré spadnú do štrbín, budú naďalej lietať priamo a narážajú do steny, každý za svojou štrbinou, to znamená, že uvidíme dve nezávislé hromady. kamienkov (ak sa prilepia na stenu, samozrejme 🙂), bez zasahovania.
Ďalej, pamätáte si, že v škole učili o „dualite vlny a častíc“? Že keď je všetko veľmi malé a veľmi kvantové, potom sú objekty častice aj vlny? V jednom zo slávnych experimentov (Stern-Gerlachov experiment) v 20. rokoch minulého storočia použili rovnaké nastavenie, ako je opísané vyššie, ale namiesto svetla svietili... elektrónmi. To znamená, že elektróny sú častice, však? To znamená, že ak ich „hodíte“ na dvojitú štrbinu ako kamienky, čo potom uvidíme na stene za štrbinami? Odpoveďou nie sú dva oddelené miesta, ale opäť interferenčný obraz!! To znamená, že elektróny môžu tiež rušiť.
Na druhej strane sa ukazuje, že svetlo nie je presne vlna, ale tak trochu aj častica – fotón. To znamená, že sme teraz takí inteligentní, že chápeme, že dva vyššie opísané experimenty sú to isté. Hádžeme (kvantové) častice na štrbiny a častice na týchto štrbinách interferujú - na stene sú viditeľné striedavé pruhy („viditeľné“ - v zmysle, ako tam registrujeme fotóny alebo elektróny, oči na to vlastne nie sú potrebné: )).
Teraz, vyzbrojení týmto univerzálnym obrázkom, si položme nasledujúcu, jemnejšiu otázku (pozor, veľmi dôležité!!):
Keď posvietime na štrbiny svetlom s našimi fotónmi/elektrónmi/časticami, na druhej strane vidíme interferenčný obrazec. úžasné. Čo sa však stane s jednotlivým fotónom/elektrónom/pi-mezónom? [a odteraz hovorme – len pre pohodlie – iba o fotónoch]. Koniec koncov, táto možnosť je možná: každý fotón letí ako kamienok cez svoju vlastnú štrbinu, to znamená, že má veľmi určitú trajektóriu. Tento fotón preletí cez ľavú štrbinu. A ten tam je napravo. Keď tieto kamienkové fotóny po svojich špecifických trajektóriách dosiahnu stenu za štrbinami, nejako spolu interagujú a v dôsledku tejto interakcie sa na samotnej stene objaví interferenčný vzor. Zatiaľ nič v našich experimentoch neodporuje tejto interpretácii – veď keď svietime jasným svetlom na štrbinu, vysielame veľa fotónov naraz. Ich pes vie, čo tam robia.
Na tomto dôležitá otázka máme odpoveď. Vieme, ako hádzať jeden fotón naraz. Odišli. Čakali sme. Hodili ďalšiu. Pozorne sa pozrieme na stenu a všimneme si, kam tieto fotóny prichádzajú. Jediný fotón samozrejme nemôže z princípu vytvoriť pozorovateľný interferenčný obrazec – je sám, a keď ho zaregistrujeme, môžeme ho vidieť len na určitom mieste a nie všade naraz. Vráťme sa však k prirovnaniu s kamienkami. Jeden kamienok preletel okolo. Narazil do steny za jedným zo slotov (samozrejme tým, cez ktorý preletel). Tu je ďalší - opäť trafil za slot. sedíme. Počítame. Po určitom čase a hádzaní dostatočného množstva kamienkov dostaneme distribúciu - uvidíme, že veľa kamienkov narazí na stenu za jedným slotom a veľa za druhým. A nikde inde. To isté robíme s fotónmi – hádžeme ich jeden po druhom a pomaly počítame, koľko fotónov dorazí na jednotlivé miesta na stene. Pomaly sa z toho zbláznime, pretože výsledné frekvenčné rozloženie dopadov fotónov nie sú vôbec dve miesta pod príslušnými štrbinami. Toto rozloženie presne opakuje interferenčný vzor, ktorý sme videli, keď sme svietili jasným svetlom. Ale fotóny teraz prichádzali jeden po druhom! Jeden - dnes. Ďalší je zajtra. Na stene sa nemohli vzájomne ovplyvňovať. Teda v plnom súlade s kvantová mechanika, jeden jednotlivý fotón je zároveň vlnou a nič podobné vlne mu nie je cudzie. Fotón v našom experimente nemá špecifickú trajektóriu – každý jednotlivý fotón prechádza oboma štrbinami naraz a akoby do seba zasahuje. Experiment môžeme zopakovať, pričom necháme otvorenú len jednu štrbinu – potom sa fotóny za ňou samozrejme zhlukujú. Zatvorme prvý, otvorme druhý, stále hádžeme fotóny jeden po druhom. Zhlukujú sa, samozrejme, pod druhým, otvoreným, prasknutým. Otvoriť obe - výsledné rozloženie miest, kde sa fotóny radi zhlukujú, nie je súčtom rozdelenia získaných, keď bola otvorená iba jedna štrbina. Teraz sú stále schúlené medzi trhlinami. Alebo skôr ich obľúbené miesta zhluky sú teraz striedavé pruhy. V tomto sa k sebe tlačia, v ďalšom - nie, zase - áno, tma, svetlo. Ach, rušenie...
Čo je superpozícia a rotácia.
Takže. Predpokladajme, že rozumieme všetkému o interferencii ako takej. Urobme superpozíciu. Neviem ako si na tom s kvantovou mechanikou, prepáč. Ak je to zlé, potom budete musieť veľa vziať na vieru, je ťažké to vysvetliť v skratke.
Ale v princípe sme už boli niekde blízko – keď sme videli, že cez dve štrbiny naraz preletí jediný fotón. Zjednodušene môžeme povedať: fotón nemá trajektóriu, vlnu a vlnu. A môžeme povedať, že fotón letí súčasne po dvoch trajektóriách (prísne povedané, nie po dvoch, samozrejme, ale po všetkých naraz). Toto je ekvivalentné vyhlásenie. V zásade, ak pôjdeme touto cestou až do konca, dospejeme k „integrálu cesty“ – Feynmanovej formulácii kvantová mechanika. Táto formulácia je neuveriteľne elegantná a rovnako zložitá, je ťažko použiteľná v praxi, tým menej ju použiť na vysvetlenie základov. Preto nechoďme celú cestu, ale radšej meditujme o fotóne letiacom „po dvoch trajektóriách naraz“. V zmysle klasických pojmov (a trajektória je presne definovaný klasický pojem, buď kameň letí hlava-nehlava, alebo vedľa) je fotón súčasne v rôznych stavoch. Ešte raz, trajektória nie je ani presne taká, akú potrebujeme, naše ciele sú jednoduchšie, len vás vyzývam, aby ste si uvedomili a precítili skutočnosť.
Kvantová mechanika nám hovorí, že táto situácia je pravidlom, nie výnimkou. Akákoľvek kvantová častica môže byť (a zvyčajne je) v „niekoľkých stavoch“ naraz. V skutočnosti toto vyhlásenie nemusíte brať príliš vážne. Tieto „viacnásobné stavy“ sú vlastne naše klasické intuície. Definujeme rôzne „stavy“ na základe niektorých našich vlastných (externých a klasických) úvah. A kvantová častica žije podľa svojich vlastných zákonov. Má bohatstvo. Bodka. Výrok o „superpozícii“ znamená len to, že tento stav sa môže veľmi líšiť od našich klasických predstáv. Predstavujeme klasický koncept trajektórie a aplikujeme ho na fotón v stave, v akom sa mu páči byť. A fotón hovorí - „Prepáč, môj obľúbený štát taká je, že vo vzťahu k týmto vašim trajektóriám som na oboch naraz! To neznamená, že fotón nemôže byť vôbec v stave, v ktorom je dráha (viac-menej) určená. Zatvorme jednu zo štrbín – a môžeme do istej miery povedať, že fotón preletí druhou po určitej trajektórii, ktorej dobre rozumieme. To znamená, že takýto stav v princípe existuje. Otvorme oboje – fotón je radšej v superpozícii.
To isté platí pre ostatné parametre. Napríklad vlastný moment hybnosti alebo rotáciu. Pamätáte si na dva elektróny, ktoré môžu sedieť spolu na rovnakom orbitále - ak majú opačné spiny? Toto je presne ono. A fotón má tiež spin. Na fotónovom spine je dobré, že v klasike vlastne zodpovedá polarizácii svetelnej vlny. To znamená, že pomocou všetkých možných polarizátorov a iných kryštálov, ktoré máme, môžeme manipulovať so spinom (polarizáciou) jednotlivých fotónov, ak ich máme (a objavia sa).
Takže točiť. Elektrón má spin (v nádeji, že orbitály a elektróny sú vám známejšie ako fotóny, takže všetko je rovnaké), ale elektrónu je absolútne ľahostajné, v akom „stave spinu“ sa nachádza. Spin je vektor a môžeme sa pokúsiť povedať „otočenie bodov hore“. Alebo „rotácia sa pozerá nadol“ (vo vzťahu k nejakému smeru, ktorý sme si vybrali). A elektrón nám hovorí: "Nestarám sa o teba, môžem byť na oboch trajektóriách v oboch spinových stavoch naraz." Tu je opäť veľmi dôležité, že nie je veľa elektrónov v rôznych spinových stavoch, v súbore sa jeden pozerá hore, druhý dole a každý jednotlivý elektrón je v oboch stavoch naraz. Rovnako ako nie rôzne elektróny prechádzajú rôznymi štrbinami, ale jeden elektrón (alebo fotón) prechádza oboma štrbinami naraz. Elektrón môže byť v stave s určitým smerom rotácie, ak sa ho veľmi pýtate, ale sám to neurobí. Polokvalitatívne možno situáciu opísať nasledovne: 1) existujú dva stavy |+1> (roztočenie sa) a |-1> (roztočenie dole); 2) v princípe ide o kóšer stavy, v ktorých môže existovať elektrón; 3) ak však nevynaložíte špeciálne úsilie, elektrón bude „rozmazaný“ cez oba stavy a jeho stav bude niečo ako |+1> + |-1>, teda stav, v ktorom elektrón nemá špecifickú smer otáčania (rovnako ako 1+ trajektória trajektória 2, však?). Toto je „superpozícia štátov“.
O kolapse vlnovej funkcie.
Zostáva nám len veľmi málo na to, aby sme pochopili, čo je meranie a „kolaps vlnovej funkcie“. Vlnová funkcia je to, čo sme napísali vyššie, |+1> + |-1>. Len popis stavu. Pre jednoduchosť môžeme hovoriť o samotnom štáte ako takom a jeho „kolapse“, na tom nezáleží. Toto sa stane: elektrón letí sám k sebe v takom neistom stave mysle, buď je hore, alebo dole, alebo oboje naraz. Potom pribehneme s nejakým strašidelne vyzerajúcim zariadením a zmeriame smer otáčania. V tomto konkrétnom prípade stačí umiestniť elektrón do magnetického poľa: tie elektróny, ktorých spin je v smere poľa, by sa mali odchyľovať v jednom smere, tie, ktorých spin je oproti poľu - v druhom. Sadneme si na druhú stranu a šúchame si ruky – vidíme, ktorým smerom sa elektrón odchýlil a hneď vieme, či jeho spin smeruje hore alebo dole. Fotóny je možné vložiť do polarizačného filtra - ak je polarizácia (spin) +1, fotón prejde, ak -1, tak nie.
Ale prepáčte – elektrón predsa nemal pred meraním určitý smer spinu? To je celá podstata. Neexistovala žiadna jednoznačná, ale bola akoby „zmiešaná“ z dvoch štátov naraz a v každom z týchto štátov existovalo do značnej miery smer. V procese merania nútime elektrón, aby sa rozhodol, kto to má byť a kam sa má pozerať – hore alebo dole. Vo vyššie opísanej situácii samozrejme v zásade nemôžeme vopred predpovedať, aké rozhodnutie urobí tento konkrétny elektrón, keď vletí do magnetického poľa. S pravdepodobnosťou 50% sa môže rozhodnúť „hore“, s rovnakou pravdepodobnosťou sa môže rozhodnúť „dole“. Ale akonáhle sa tak rozhodne, je v stave s určitým smerom otáčania. Výsledkom nášho „merania“! Toto je „kolaps“ - pred meraním bola vlnová funkcia (pardon, stav) |+1> + |-1>. Potom, čo sme „zmerali“ a videli, že sa elektrón odchýlil v určitom smere, bol určený jeho smer spinu a jeho vlnová funkcia sa stala jednoducho |+1> (alebo |-1>, ak sa odchýlil iným smerom). To znamená, že štát sa „zrútil“ do jednej zo svojich zložiek; Už nie je žiadna stopa po „miešaní“ druhej zložky!
To bolo do značnej miery ťažiskom prázdneho filozofovania v pôvodnom vstupe a práve to sa mi na konci karikatúry nepáči. Jednoducho sa tam pritiahne oko a neskúsený divák môže mať po prvé ilúziu určitej antropocentrickosti procesu (hovoria, že na vykonanie „merania“ je potrebný pozorovateľ), a po druhé jeho neinvazívnosti ( no, práve hľadáme!). Moje názory na túto tému boli načrtnuté vyššie. Po prvé, „pozorovateľ“ ako taký samozrejme nie je potrebný. Stačí uviesť kvantový systém do kontaktu s veľkým, klasickým systémom a všetko sa stane samo (elektróny vletia do magnetického poľa a rozhodnú sa, kto to bude, bez ohľadu na to, či sedíme na druhej strane a pozorujeme, resp. nie). Po druhé, neinvazívne klasické meranie kvantovej častice je v princípe nemožné. Je ľahké nakresliť oko, ale čo to znamená „pozrieť sa na fotón a zistiť, kam šiel“? Aby ste sa pozreli, potrebujete, aby fotóny zasiahli vaše oko, najlepšie veľa. Ako to zariadiť, aby dorazilo veľa fotónov a povedali nám všetko o stave jedného nešťastného fotónu, ktorého stav nás zaujíma? Posvietiť si naň baterkou? A čo z neho po tomto zostane? Je jasné, že jeho stav veľmi ovplyvníme, možno až do takej miery, že sa mu už nebude chcieť liezť do jedného slotu. Nie je to až také zaujímavé. Ale konečne sme sa dostali k zaujímavej časti.
O Einstein-Podolsky-Rosenovom paradoxe a koherentných (prepletených) fotónových pároch
Teraz vieme o superpozícii stavov, ale doteraz sme hovorili len o jednej častici. Čisto pre jednoduchosť. Ale predsa, čo ak máme dve častice? Môžete pripraviť pár častíc v úplne kvantovom stave, takže ich celkový stav je opísaný jednou spoločnou vlnovou funkciou. To, samozrejme, nie je jednoduché - dva ľubovoľné fotóny v susedných miestnostiach alebo elektróny v susedných skúmavkách o sebe navzájom nevedia, takže môžu a mali by byť opísané úplne nezávisle. Preto je len možné vypočítať väzbovú energiu povedzme jedného elektrónu na jeden protón v atóme vodíka bez toho, aby sme sa vôbec zaujímali o iné elektróny na Marse alebo dokonca na susedných atómoch. Ale ak vynaložíte špeciálne úsilie, môžete vytvoriť kvantový stav, ktorý zahŕňa dve častice naraz. Toto sa bude nazývať „koherentný stav“ vo vzťahu k párom častíc a všetkým druhom kvantových vymazaní a počítačov, nazýva sa to aj zapletený stav.
Poďme ďalej. Môžeme vedieť (kvôli obmedzeniam spôsobeným procesom prípravy tohto koherentného stavu), že, povedzme, celkový spin nášho dvojčasticového systému je nulový. To je v poriadku, vieme, že spiny dvoch elektrónov v orbitále s musia byť antiparalelné, to znamená, že celkový spin je nulový, a to nás vôbec nedesí, však? Čo nevieme je, kam smeruje rotácia konkrétnej častice. Vieme len, že bez ohľadu na to, kam sa pozrie, druhé roztočenie sa musí pozrieť opačným smerom. To znamená, že ak označíme naše dve častice (A) a (B), potom stav môže byť v princípe takýto: |+1(A), -1(B)> (A pozrie hore, B pozrie dole ). Toto je povolený stav a neporušuje žiadne uložené obmedzenia. Ďalšou možnosťou je |-1(A), +1(B)> (naopak, A dole, B hore). Tiež možný stav. Nepripomína vám to ešte stavy, ktoré sme si zapísali o niečo skôr pre spin jedného elektrónu? Pretože náš systém dvoch častíc, hoci je kvantový a koherentný, môže (a bude) byť aj v superpozícii stavov |+1(A); -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. To znamená, že obe možnosti sú implementované súčasne. Ako obe trajektórie fotónu alebo oba smery spinu jedného elektrónu.
Meranie takéhoto systému je oveľa vzrušujúcejšie ako meranie jedného fotónu. Predpokladajme totiž, že meriame spin len jednej častice, A. Už sme pochopili, že meranie je pre kvantovú časticu silným stresom, jej stav sa počas procesu merania veľmi zmení, dôjde ku kolapsu... To je všetko pravda, ale v tomto prípade je tu aj druhá častica, B, ktorá je tesne spojená s A, majú spoločnú vlnovú funkciu! Predpokladajme, že sme zmerali smer rotácie A a zistili sme, že je to +1. Ale A nemá svoju vlastnú vlnovú funkciu (alebo inými slovami, svoj vlastný nezávislý stav), aby sa zrútila na |+1>. Všetko, čo má A, je stav „zapletený“ s B, napísaný vyššie. Ak meranie A dáva +1 a vieme, že rotácie A a B sú antiparalelné, vieme, že rotácia B smeruje nadol (-1). Vlnová funkcia páru sa zrúti na čokoľvek, čo môže, alebo môže len na |+1(A); -1(B)>. Zapísaná vlnová funkcia nám neposkytuje žiadne iné možnosti.
Ešte nič? Len si pomyslite, je zachované úplné odstreďovanie? Teraz si predstavme, že sme vytvorili taký pár A, B a nechali tieto dve častice rozletieť sa rôzne strany, zostávajúce koherentné. Jedna (A) letela k Merkúru. A druhý (B) povedzme Jupiterovi. Práve v tomto momente sme sa stali na Merkúre a zmerali sme smer rotácie A. Čo sa stalo? V tom istom momente sme sa naučili smer otáčania B a zmenili sme sa vlnová funkcia B! Upozorňujeme, že to vôbec nie je rovnaké ako v klasike. Nechajte dva lietajúce kamene otáčať sa okolo svojej osi a dajte nám s istotou vedieť, že sa otáčajú v opačných smeroch. Ak zmeriame smer rotácie jedného, keď dosiahne Merkúr, budeme poznať aj smer rotácie druhého, kdekoľvek sa do tej doby dostane, dokonca aj na Jupiter. Ale tieto kamene sa vždy pred akýmkoľvek naším meraním otáčali určitým smerom. A ak niekto zmeria kameň letiaci smerom k Jupiteru, dostane rovnakú a celkom jednoznačnú odpoveď, bez ohľadu na to, či sme niečo na Merkúre namerali alebo nie. S našimi fotónmi je situácia úplne iná. Žiadny z nich nemal pred meraním žiadny špecifický smer rotácie. Ak by sa niekto bez našej účasti rozhodol zmerať smer rotácie B niekde v oblasti Marsu, čo by získal? Presne tak, pri 50% pravdepodobnosti by videl +1, pri 50% -1. Toto je stav B, superpozícia. Ak sa toto niekto rozhodne zmerať spin B hneď potom, čo sme už namerali spin A, videli +1 a spôsobili kolaps *celej* vlnovej funkcie,
potom dostane ako výsledok merania len -1 s pravdepodobnosťou 100%! Až v momente nášho merania sa A konečne rozhodol, kto by mal byť a „zvolil“ smer rotácie – a táto voľba okamžite ovplyvnila *celú* vlnovú funkciu a stav B, ktorý je v tejto chvíli už Boh vie. kde.
Tento problém sa nazýva „nelokálnosť kvantovej mechaniky“. Tiež známy ako Einstein-Podolsky-Rosenov paradox (EPR paradox) a vo všeobecnosti s tým súvisí to, čo sa deje pri vymazávaní. Možno, samozrejme, niečo zle chápem, ale na môj vkus je vymazanie zaujímavé, pretože je to práve experimentálna demonštrácia nelokality.
Zjednodušene by experiment s vymazávaním mohol vyzerať takto: vytvoríme koherentné (prepletené) páry fotónov. Jeden po druhom: pár, potom ďalší atď. V každom páre letí jeden fotón (A) jedným smerom, druhý (B) druhým. Všetko je, ako sme už diskutovali, trochu vyššie. Na dráhu fotónu B umiestnime dvojitú štrbinu a uvidíme, čo sa objaví na stene za touto štrbinou. Objaví sa interferenčný obrazec, pretože každý fotón B, ako vieme, letí pozdĺž oboch trajektórií, cez obe štrbiny naraz (ešte si pamätáme na interferenciu, s ktorou sme začali tento príbeh, však?). To, že B je stále koherentne spojené s A a má spoločnú vlnovú funkciu s A, je pre neho dosť fialové. Poďme si experiment skomplikovať: zakryte jeden slot filtrom, ktorý prepúšťa iba fotóny so spinom +1. Druhý prekryjeme filtrom, ktorý prepúšťa len fotóny so spinom (polarizáciou) -1. Naďalej si užívame interferenčný vzor, pretože všeobecný stav dvojice A, B(|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, ako si pamätáme), existujú stavy B s oboma spinmi. To znamená, že „časť“ B môže prejsť cez jeden filter/štrbinu a časť cez iný. Rovnako ako predtým, jedna „časť“ letela po jednej trajektórii, druhá po inej (samozrejme, ide o slovné spojenie, ale faktom zostáva).
Nakoniec vrchol: niekde na Merkúre, alebo o niečo bližšie, na druhý koniec optickej tabuľky umiestnime do dráhy fotónov A polarizačný filter a za filter detektor. Ujasnime si, že tento nový filter umožňuje prechod iba fotónov so spinom +1. Pri každom spustení detektora vieme, že fotón A so spinom +1 prešiel (spin -1 neprejde). To však znamená, že vlnová funkcia celého páru sa zrútila a „brat“ nášho fotónu, fotón B, mal v tomto momente iba jeden možný stav -1. Všetky. Fotón B teraz nemá „nič“ cez ktorý by sa dalo dostať, otvor pokrytý filtrom, ktorý umožňuje prejsť iba polarizáciou +1. Ten komponent mu jednoducho nezostáva. „Rozpoznať“ tento fotón B je veľmi jednoduché. Vytvárame dvojice po jednom. Keď zistíme, že fotón A prechádza cez filter, zaznamenáme čas, kedy prišiel. Napríklad pol druhej. To znamená, že aj jeho „brat“ B priletí o pol jednej k stene. No, alebo o 1:36, ak poletí trochu ďalej a teda dlhšie. Tam zaznamenávame aj časy, čiže vieme porovnať, kto je kto a kto s kým súvisí.
Ak sa teda teraz pozrieme na to, aký obraz sa vynára na stene, nezistíme žiadne rušenie. Fotón B z každého páru prechádza jedným alebo druhým slotom. Na stene sú dve škvrny. Teraz odstránime filter z dráhy fotónov A. Interferenčný obrazec je obnovený.
...a nakoniec o oneskorenom výbere
Situácia sa stáva úplne žalostnou, keď fotónu A trvá dlhšie, kým sa dostane k svojmu filtru/detektoru, ako fotónu B, kým sa dostane do štrbín. Urobíme meranie (a prinútime A vyriešiť a vlnovú funkciu zrútiť) potom, čo by B už dosiahol stenu a vytvoril interferenčný obrazec. Kým však meriame A, dokonca „neskôr, ako by malo“, interferenčný vzor pre fotóny B stále mizne. Odstránime filter pre A - je obnovený. Toto je už oneskorené vymazanie. Nemôžem povedať, že dobre rozumiem tomu, s čím to jedia.
Zmeny a doplnenia a objasnenia.
Všetko bolo správne, s nevyhnutnými zjednodušeniami, kým sme nepostavili zariadenie s dvoma zapletenými fotónmi. Po prvé, fotón B zažíva interferenciu. Zdá sa, že to nefunguje s filtrami. Musíte ho prikryť doskami, ktoré menia polarizáciu z lineárnej na kruhovú. Toto sa už vysvetľuje ťažšie 😦 Ale to nie je to hlavné. Hlavná vec je, že keď prekryjeme štrbiny rôznymi filtrami, rušenie zmizne. Nie v momente, keď meriame fotón A, ale okamžite. Záludný trik je v tom, že inštaláciou doskových filtrov sme „označili“ fotóny B. Inými slovami, fotóny B nesú dodatočné informácie, ktoré nám umožňujú presne zistiť, po akej trajektórii preleteli. *Ak* zmeriame fotón A, potom budeme schopní presne zistiť, ktorá trajektória B preletela, čo znamená, že B nebude mať interferenciu. Jemnosť je v tom, že nie je potrebné fyzicky „merať“ A! Tu som sa minule hrubo mýlil. Nie je potrebné merať A, aby rušenie zmizlo. Ak *je* možné zmerať a zistiť, ktorú z trajektórií fotón B absolvoval, tak v tomto prípade k interferencii nedôjde.
V skutočnosti sa to ešte dá zažiť. Tam, na nižšie uvedenom odkaze, ľudia akosi bezradne krčia rukami, ale podľa mňa (možno sa zase mýlim? 😉) je vysvetlenie takéto: vložením filtrov do slotov sme už značne zmenili systém. Nezáleží na tom, či sme skutočne zaregistrovali polarizáciu alebo trajektóriu, po ktorej fotón prešiel alebo sme na poslednú chvíľu zamávali rukou. Je dôležité, aby sme všetko „pripravili“ na meranie a už ovplyvnili stavy. Preto nie je potrebné vlastne „merať“ (v zmysle uvedomelého humanoidného pozorovateľa, ktorý si priniesol teplomer a výsledok zapísal do denníka). Všetko v určitom zmysle (v zmysle vplyvu na systém) už bolo „zmerané“. Tvrdenie je zvyčajne formulované takto: „*ak* zmeriame polarizáciu fotónu A, potom budeme poznať polarizáciu fotónu B, a teda aj jeho trajektóriu, a keďže fotón B letí po určitej trajektórii, potom nebude rušenie; nemusíme ani merať fotón A – stačí, že toto meranie je možné, že fotón B vie, že sa dá zmerať, a odmieta zasahovať. Je v tom istá mystifikácia. No áno, odmieta. Jednoducho preto, že systém bol takto pripravený. Ak má systém dodatočné informácie (existuje spôsob), ako určiť, po ktorej z dvoch trajektórií fotón letel, potom nedôjde k žiadnemu rušeniu.
Ak vám poviem, že som všetko zariadil tak, aby fotón preletel len cez jednu štrbinu, hneď pochopíte, že k rušeniu nedôjde? Môžete bežať skontrolovať („zmerať“) a uistiť sa, že hovorím pravdu, alebo tomu tak môžete veriť. Ak som neklamal, potom k rušeniu nedôjde bez ohľadu na to, či sa ma ponáhľate skontrolovať alebo nie :) Podľa toho slovné spojenie „dá sa merať“ v skutočnosti znamená „systém je pripravený tak špeciálne, že... .”. Je to pripravené a pripravené, to znamená, že na tomto mieste ešte nie je kolaps. Existujú „označené“ fotóny a žiadne rušenie.
Ďalej - prečo sa to všetko v skutočnosti nazýva vymazanie - nám hovoria: konajme so systémom tak, aby sme tieto značky „vymazali“ z fotónov B - potom začnú znova zasahovať. Zaujímavým bodom, ku ktorému sme sa už priblížili, aj keď v chybnom modeli, je, že fotóny B môžu zostať nedotknuté a platne ponechané v slotoch. Môžete ťahať za fotón A a rovnako ako pri kolapse, zmena jeho stavu spôsobí (nelokálne) zmenu celkovej vlnovej funkcie systému, takže už nemáme dostatočné informácie na to, aby sme určili, cez ktorý štrbinový fotón B prešiel. To znamená, že do cesty fotónu A vložíme polarizátor - interferencia fotónov B sa obnoví. Pri oneskorení je všetko po starom – robíme to tak, že fotónu A trvá dlhšie letieť k polarizátoru ako B, kým sa dostane k štrbinám. A stále, ak má A polarizátor na ceste, potom B ruší (hoci, ako to bolo, „predtým, než“ A dosiahne polarizátor)!
Feed.
Môžete, alebo z vašej vlastnej stránky. Pravdepodobne ste to už počuli veľakrát o nevysvetliteľných záhadách kvantovej fyziky a kvantovej mechaniky . Jeho zákony fascinujú mysticizmom a aj samotní fyzici priznávajú, že im úplne nerozumejú. Na jednej strane je zaujímavé pochopiť tieto zákonitosti, no na druhej strane nie je čas čítať viaczväzkové a zložité knihy o fyzike. Veľmi ťa chápem, pretože aj ja milujem poznanie a hľadanie pravdy, no na všetky knihy je strašne málo času. Nie ste sami, veľa zvedavých ľudí napíše do vyhľadávacieho panela: “ kvantová fyzika.
pre figuríny, kvantová mechanika pre figuríny, kvantová fyzika pre začiatočníkov, kvantová mechanika pre začiatočníkov, základy kvantovej fyziky, základy kvantovej mechaniky, kvantová fyzika pre deti, čo je to kvantová mechanika.“
Čo je kvantové zapletenie (alebo kvantová teleportácia pre figuríny)? (pozri článok)
Čo je myšlienkový experiment Schrödingerovej mačky? (pozri článok)
Kvantová mechanika je súčasťou kvantovej fyziky.: Ak v našom makrosvete vložíte loptu do jednej z 2 krabíc, jedna z nich bude prázdna a druhá bude mať loptu. Ale v mikrokozme (ak je tam namiesto gule atóm) môže byť atóm v dvoch krabiciach súčasne. Experimentálne sa to potvrdilo mnohokrát. Nie je ťažké zabaliť si do toho hlavu? Ale nemôžete argumentovať faktami.
Ďalší príklad. Odfotili ste rýchle pretekárske červené športové auto a na fotke ste videli rozmazaný vodorovný pruh, ako keby sa auto v čase fotenia nachádzalo v niekoľkých bodoch priestoru. Napriek tomu, čo vidíte na fotke, stále máte istotu, že auto bolo na jednom konkrétnom mieste v priestore. V mikrosvete je všetko inak. Elektrón, ktorý rotuje okolo jadra atómu, sa v skutočnosti neotáča, ale sa nachádza súčasne vo všetkých bodoch gule okolo jadra atómu. Ako voľne navinuté klbko nadýchanej vlny. Tento pojem vo fyzike sa nazýva "elektronický cloud" .
Krátky exkurz do histórie. Vedci prvýkrát premýšľali o kvantovom svete, keď sa v roku 1900 nemecký fyzik Max Planck pokúsil zistiť, prečo kovy menia farbu pri zahrievaní. Bol to on, kto zaviedol pojem kvantum. Dovtedy si vedci mysleli, že svetlo putuje nepretržite. Prvým, kto bral Planckov objav vážne, bol vtedy neznámy Albert Einstein. Uvedomil si, že svetlo nie je len vlna. Niekedy sa správa ako častica. Einstein dostal Nobelovu cenu za objav, že svetlo je vyžarované po častiach, kvantách. Kvantum svetla sa nazýva fotón ( fotón, Wikipedia) .
Aby sme uľahčili pochopenie kvantových zákonov fyzikov A mechanika (Wikipedia), musíme v istom zmysle abstrahovať od zákonov klasickej fyziky, ktoré sú nám známe. A predstavte si, že ste sa ponorili ako Alica do králičej nory, do Krajiny zázrakov.
A tu je karikatúra pre deti a dospelých. Opisuje základný experiment kvantovej mechaniky s 2 štrbinami a pozorovateľom. Trvá iba 5 minút. Pozrite si to predtým, ako sa ponoríme do základných otázok a konceptov kvantovej fyziky.
Video o kvantovej fyzike pre figuríny. V karikatúre dávajte pozor na „oko“ pozorovateľa. Pre fyzikov sa to stalo vážnou záhadou.
Na začiatku kresleného filmu bolo na príklade kvapaliny ukázané, ako sa správajú vlny - na obrazovke sa za tanierom so štrbinami objavujú striedavo tmavé a svetlé vertikálne pruhy. A v prípade, že diskrétne častice (napríklad kamienky) sú „vystrelené“ na dosku, preletia cez 2 štrbiny a pristanú na obrazovke priamo oproti štrbinám. A na obrazovke „kreslia“ iba 2 zvislé pruhy.
Rušenie svetla- Toto je „vlnové“ správanie svetla, keď sa na obrazovke zobrazuje veľa striedajúcich sa jasných a tmavých vertikálnych pruhov. Aj tieto zvislé pruhy nazývaný interferenčný vzor.
V našom makrokozme často pozorujeme, že svetlo sa správa ako vlna. Ak položíte ruku pred sviečku, na stene nebude z vašej ruky jasný tieň, ale s rozmazanými obrysmi.
Takže to nie je až také zložité! Teraz je nám celkom jasné, že svetlo má vlnovú povahu a ak sú 2 štrbiny osvetlené svetlom, potom na obrazovke za nimi uvidíme interferenčný obrazec.
Teraz sa pozrime na 2. experiment. Ide o slávny Stern-Gerlachov experiment (ktorý sa uskutočnil v 20. rokoch minulého storočia).
Inštalácia opísaná v karikatúre nebola ožiarená svetlom, ale „vystrelená“ elektrónmi (ako jednotlivé častice). Potom, na začiatku minulého storočia fyzici na celom svete verili, že elektróny sú elementárne častice hmoty a nemali by mať vlnovú povahu, ale rovnakú ako kamienky. Koniec koncov, elektróny sú elementárne častice hmoty, však? To znamená, že ak ich „hodíte“ do 2 štrbín, ako sú kamienky, na obrazovke za štrbinami by sme mali vidieť 2 zvislé pruhy. Ale... Výsledok bol ohromujúci. Vedci videli interferenčný vzor - veľa zvislých pruhov. To znamená, že elektróny, podobne ako svetlo, môžu mať vlnovú povahu a môžu rušiť. Na druhej strane sa ukázalo, že svetlo nie je len vlna, ale aj malá častica - fotón (od historické informácie
na začiatku článku sme sa dozvedeli, že Einstein dostal za tento objav Nobelovu cenu). Možno si pamätáte, že v škole nám na fyzike hovorili o"dualita vlny a častíc" ? To znamená, že kedy hovoríme o o veľmi malých časticiach (atómoch, elektrónoch) mikrosveta, teda
Dnes sme vy a ja takí múdri a chápeme, že 2 vyššie opísané experimenty - streľba elektrónmi a osvetlenie štrbín svetlom - sú to isté. Pretože strieľame kvantové častice do štrbín. Teraz vieme, že svetlo aj elektróny sú kvantovej povahy, že sú vlnami aj časticami súčasne. A na začiatku 20. storočia boli výsledky tohto experimentu senzáciou.
Na naše štrbiny svietime prúdom fotónov (elektrónov) a za štrbinami na obrazovke vidíme interferenčný vzor (vertikálne pruhy). Toto je jasné. Nás však zaujíma, ako každý z elektrónov preletí štrbinou.
Pravdepodobne jeden elektrón letí do ľavého slotu, druhý do pravého. Potom by sa však na obrazovke mali objaviť 2 zvislé pruhy priamo oproti slotom. Prečo vzniká interferenčný obrazec? Možno, že elektróny medzi sebou nejako interagujú už na obrazovke po prelete cez štrbiny. A výsledkom je takýto vlnový vzor. Ako to môžeme sledovať?
Elektróny budeme hádzať nie lúčom, ale jeden po druhom. Hodíme, počkáme, hodíme ďalšie. Teraz, keď elektrón letí sám, už nebude môcť interagovať s inými elektrónmi na obrazovke. Každý elektrón po hode zaznamenáme na obrazovku. Jeden alebo dva nám, samozrejme, „nenamaľujú“ jasný obraz. Ale keď ich pošleme do štrbín naraz veľa, všimneme si... ach hrôza - opäť „nakreslili“ interferenčný vlnový vzor!
Pomaly začíname šalieť. Veď sme čakali, že oproti slotom budú 2 zvislé pruhy! Ukázalo sa, že keď sme hádzali fotóny jeden po druhom, každý z nich prešiel akoby cez 2 štrbiny súčasne a zasahoval do seba.
Čo je rotácia a superpozícia?
Teraz vieme, čo je rušenie. Toto je vlnové správanie mikročastíc – fotónov, elektrónov, iných mikročastíc (pre jednoduchosť ich odteraz nazývame fotóny).
Výsledkom experimentu, keď sme hodili 1 fotón do 2 štrbín, sme si uvedomili, že akoby preletel cez dve štrbiny súčasne. Ako inak môžeme vysvetliť interferenčný obrazec na obrazovke?
V zásade sú tieto vyhlásenia ekvivalentné. Dospeli sme k „cestovému integrálu“. Toto je formulácia kvantovej mechaniky Richarda Feynmana.
Mimochodom, presne tak Richard Feynman je známy výraz, že Môžeme s istotou povedať, že nikto nerozumie kvantovej mechanike
Ale tento jeho prejav fungoval na začiatku storočia. Teraz sme však inteligentní a vieme, že fotón sa môže správať ako častica aj ako vlna. Že dokáže pre nás nejakým nepochopiteľným spôsobom preletieť 2 štrbinami súčasne. Preto bude pre nás ľahké pochopiť nasledujúce dôležité vyhlásenie kvantovej mechaniky:
Presne povedané, kvantová mechanika nám hovorí, že toto správanie fotónov je pravidlom, nie výnimkou. Akákoľvek kvantová častica sa spravidla nachádza v niekoľkých stavoch alebo v niekoľkých bodoch priestoru súčasne.
Objekty makrosveta môžu byť len na jednom konkrétnom mieste a v jednom konkrétnom stave. Ale kvantová častica existuje podľa svojich vlastných zákonov. A vôbec ju nezaujíma, že im nerozumieme. To je podstata.
Musíme len ako axiómu pripustiť, že „superpozícia“ kvantového objektu znamená, že môže byť na 2 alebo viacerých trajektóriách súčasne, v 2 alebo viacerých bodoch v rovnakom čase.
To isté platí pre ďalší parameter fotónu – spin (jeho vlastný moment hybnosti). Spin je vektor. Kvantový objekt možno považovať za mikroskopický magnet. Sme zvyknutí, že vektor magnetu (spin) smeruje buď nahor alebo nadol. Ale elektrón alebo fotón nám opäť hovorí: „Chlapci, je nám jedno, na čo ste zvyknutí, môžeme byť v oboch spinových stavoch naraz (vektor hore, vektor dole), rovnako ako môžeme byť na 2 trajektóriách pri v rovnakom čase alebo v 2 bodoch v rovnakom čase!
Zostáva nám len málo na to, aby sme pochopili, čo je „meranie“ a čo je „kolaps vlnovej funkcie“.
Vlnová funkcia je popis stavu kvantového objektu (nášho fotónu alebo elektrónu).
Predpokladajme, že máme elektrón, letí k sebe v neurčitom stave jeho rotácia smeruje súčasne nahor aj nadol. Musíme zmerať jeho stav.
Poďme merať pomocou magnetické pole: elektróny, ktorých spin smeroval v smere poľa, sa budú odchyľovať v jednom smere a elektróny, ktorých spin je nasmerovaný proti poľu - v druhom. Viac fotónov môže byť nasmerovaných do polarizačného filtra. Ak je spin (polarizácia) fotónu +1, prejde cez filter, ale ak je -1, tak nie.
Stop! Tu budete mať nevyhnutne otázku: Pred meraním elektrón nemal žiadny špecifický smer rotácie, však? Bol vo všetkých štátoch súčasne, však?
Toto je trik a senzácia kvantovej mechaniky. Pokiaľ nemeriate stav kvantového objektu, môže sa otáčať ľubovoľným smerom (mať ľubovoľný smer vektora vlastného momentu hybnosti - spin). Ale vo chvíli, keď ste zmerali jeho stav, zdá sa, že robí rozhodnutie, ktorý spinový vektor akceptovať.
Tento kvantový objekt je taký cool - rozhoduje o svojom stave. A nevieme vopred predpovedať, aké rozhodnutie urobí, keď vletí do magnetického poľa, v ktorom ho meriame. Pravdepodobnosť, že sa rozhodne mať spinový vektor „hore“ alebo „dole“, je 50 až 50 %. Ale akonáhle sa rozhodne, je v určitom stave s konkrétnym smerom otáčania. Dôvodom jeho rozhodnutia je naša „rozmernosť“!
Toto sa nazýva " kolaps vlnovej funkcie". Vlnová funkcia pred meraním bola neistá, t.j. vektor spinu elektrónu bol po meraní súčasne vo všetkých smeroch, elektrón zaznamenal určitý smer svojho vektora spinu.
Roztočte mincu na stole ako kolovrátok. Kým sa minca točí, nemá konkrétny význam – hlavy alebo chvosty. Ale akonáhle sa rozhodnete „zmerať“ túto hodnotu a zabuchnúť mincou rukou, vtedy získate konkrétny stav mince – hlavy alebo chvosty. Teraz si predstavte, že táto minca rozhoduje o tom, akú hodnotu vám „ukáže“ – hlavy alebo chvosty. Elektrón sa správa približne rovnako.
Teraz si spomeňte na experiment zobrazený na konci karikatúry. Keď fotóny prechádzali cez štrbiny, správali sa ako vlna a na obrazovke vykazovali interferenčný vzor. A keď vedci chceli zaznamenať (zmerať) okamih preletu fotónov cez štrbinu a umiestnili „pozorovateľa“ za clonu, fotóny sa začali správať nie ako vlny, ale ako častice. A na obrazovku „nakreslili“ 2 zvislé pruhy. Tie. V momente merania alebo pozorovania si kvantové objekty samy vyberú, v akom stave by sa mali nachádzať.
Fantastické! nie je to pravda?
To však nie je všetko. Nakoniec my Dostali sme sa k najzaujímavejšej časti.
Ale... zdá sa mi, že dôjde k preťaženiu informácií, takže tieto 2 pojmy zvážime v samostatných príspevkoch:
Teraz, chcete, aby boli informácie vyriešené? Pozri dokumentárny, ktorú pripravil Kanadský inštitút teoretickej fyziky. Za 20 minút vám budú veľmi stručne a v chronologickom poradí porozprávané o všetkých objavoch kvantovej fyziky, počnúc Planckovým objavom v roku 1900. A potom vám povedia, aký praktický vývoj sa v súčasnosti uskutočňuje na základe poznatkov v kvantovej fyzike: od najpresnejších atómové hodiny na superrýchle kvantové počítačové výpočty. Vrelo odporúčam pozrieť si tento film.
Uvidíme sa!
Prajem všetkým inšpiráciu pre všetky ich plány a projekty!
P.S.2 Svoje otázky a myšlienky píšte do komentárov. Napíšte, aké ďalšie otázky z kvantovej fyziky vás zaujímajú?
P.S.3 Prihláste sa na odber blogu - formulár na odber je pod článkom.
Mnohým ľuďom sa zdá fyzika taká vzdialená a mätúca a kvantová ešte viac. Chcem vám však otvoriť závoj tohto veľkého tajomstva, pretože v skutočnosti sa všetko ukáže ako zvláštne, ale rozpletené.
A tiež kvantová fyzika je skvelý predmet na rozhovor s inteligentnými ľuďmi.
Najprv si musíte v hlave urobiť jednu veľkú čiaru medzi mikrosvetom a makrosvetom, pretože tieto svety sú úplne odlišné. Všetko, čo viete o priestore, ktorý poznáte, a objektoch v ňom je nepravdivé a v kvantovej fyzike neprijateľné.
V skutočnosti mikročastice nemajú ani rýchlosť, ani špecifickú polohu, kým sa na ne nepozrú vedci. Toto tvrdenie sa nám zdá jednoducho absurdné a zdalo sa to tak aj Albertovi Einsteinovi, ale aj veľký fyzik ustúpil.
Faktom je, že výskum dokázal, že ak sa raz pozriete na časticu, ktorá zaujala určitú pozíciu, a potom sa odvrátite a pozriete sa znova, uvidíte, že táto častica už zaujala úplne inú polohu.
Všetko sa zdá jednoduché, ale keď sa pozrieme na tú istú časticu, stojí na mieste. To znamená, že tieto častice sa pohybujú iba vtedy, keď ich nevidíme.
Podstatou je, že každá častica (podľa teórie pravdepodobnosti) má škálu pravdepodobnosti, že bude v tej či onej polohe. A keď sa odvrátime a potom znova otočíme, môžeme zachytiť časticu v ktorejkoľvek z jej možných pozícií presne podľa pravdepodobnostnej stupnice.
Podľa štúdie sa častica hľadala v rôznych miestach, potom ju prestal sledovať a potom znova sledoval, ako sa jej poloha zmenila. Výsledok bol jednoducho ohromujúci. Ak to zhrnieme, vedci skutočne dokázali vytvoriť škálu pravdepodobností, kde by sa tá alebo tá častica mohla nachádzať.
Napríklad neutrón má schopnosť byť v troch polohách. Po vykonaní výskumu môžete zistiť, že na prvej pozícii to bude s pravdepodobnosťou 15%, na druhej - 60%, na tretej - 25%.
Túto teóriu zatiaľ nikto nedokázal vyvrátiť, takže je, napodiv, najsprávnejšia.
Ak vezmeme objekt z makrokozmu, uvidíme, že má aj pravdepodobnostnú škálu, ale je úplne iná. Napríklad pravdepodobnosť, že sa odvrátite a nájdete svoj telefón na druhom konci sveta, je takmer nulová, no stále existuje.
Potom vyvstáva otázka: ako to, že takéto prípady ešte neboli zaznamenané? Vysvetľuje sa to tým, že pravdepodobnosť je taká malá, že by ľudstvo muselo čakať toľko rokov, koľko sa takejto udalosti naša planéta a celý vesmír ešte nedožil. Ukázalo sa, že váš telefón s takmer 100% pravdepodobnosťou skončí presne tam, kde ste ho videli.
Odtiaľ sa môžeme dostať ku konceptu kvantového tunelovania. Ide o koncept postupného prechodu jedného objektu (veľmi zhruba povedané) na úplne iné miesto bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov.
To znamená, že všetko môže začať jedným neutrónom, ktorý v jednom bode spadá do tej veľmi takmer nulovej pravdepodobnosti, že bude na úplne inom mieste, a čím viac neutrónov je na inom mieste, tým vyššia je pravdepodobnosť.
Samozrejme, že takýto prechod bude trvať toľko rokov, koľko naša planéta ešte nežila, ale podľa teórie kvantovej fyziky dochádza ku kvantovému tunelovaniu.
Prečítajte si tiež:
V roku 1803 Thomas Young nasmeroval lúč svetla na nepriehľadnú obrazovku s dvoma štrbinami. Namiesto očakávaných dvoch pruhov svetla na premietacom plátne videl niekoľko pruhov, ako keby došlo k interferencii (superpozícii) dvoch vĺn svetla z každého slotu. V skutočnosti sa práve v tomto momente zrodila kvantová fyzika, respektíve otázky v jej jadre. V XX a XXI storočia ukázalo sa, že nielen svetlo, ale každá jednotlivá elementárna častica a dokonca aj niektoré molekuly sa správajú ako vlna, ako kvantá, akoby prechádzali oboma štrbinami súčasne. Ak však k štrbinám umiestnite senzor, ktorý určí, čo presne sa s časticou na tomto mieste stane a cez ktorú konkrétnu štrbinu ešte prejde, tak sa na projekčnej ploche objavia len dva pásiky, ako keby fakt pozorovania (nepriamy vplyv) ničí vlnovú funkciu a objekt sa správa ako hmota. ( video)
Vďaka objavu z roku 1927 tisícky vedcov a študentov opakujú rovnaký jednoduchý experiment prežiarením laserového lúča cez zužujúcu sa štrbinu. Je to logické viditeľná stopa z lasera na premietacom plátne sa s zmenšovaním medzery zužuje a zužuje. Ale v určitom momente, keď sa štrbina dostatočne zúži, sa bod z lasera zrazu začne rozširovať a rozširovať, naťahuje sa cez obrazovku a stmieva sa, až kým štrbina nezmizne. Toto je najzrejmejší dôkaz kvintesencie kvantovej fyziky - princíp neurčitosti Wernera Heisenberga, vynikajúceho teoretického fyzika. Jej podstatou je, že čím presnejšie určíme jednu z párových charakteristík kvantového systému, tým neistejšia sa stane druhá charakteristika. V tomto prípade, čím presnejšie určíme súradnice laserových fotónov so zužujúcou sa štrbinou, tým neistejšia bude hybnosť týchto fotónov. V makrokozme môžeme tiež presne zmerať buď presnú polohu lietajúceho meča jeho zdvihnutím, alebo jeho smer, ale nie súčasne, pretože si to odporuje a navzájom sa prekáža. ( , video)
V roku 1933 objavil Walter Meissner zaujímavý fenomén v kvantovej fyzike: v supravodiči ochladenom na minimálne teploty je magnetické pole posunuté za jeho hranice. Tento jav sa nazýva Meissnerov efekt. Ak je obyčajný magnet umiestnený na hliník (alebo iný supravodič) a potom ochladený tekutým dusíkom, magnet vyletí a visí vo vzduchu, pretože „uvidí“ svoje vlastné magnetické pole rovnakej polarity posunuté z chladeného hliník a rovnaké strany magnetov sa odpudzujú . ( , video)
V roku 1938 Pyotr Kapitsa ochladil kvapalné hélium na teplotu blízku nule a zistil, že látka stratila svoju viskozitu. Tento jav sa v kvantovej fyzike nazýva supratekutosť. Ak sa vychladené tekuté hélium naleje na dno pohára, bude z neho stále vytekať po stenách. V skutočnosti, pokiaľ je hélium dostatočne ochladené, neexistuje žiadny limit na jeho rozliatie, bez ohľadu na tvar alebo veľkosť nádoby. Koncom 20. a začiatkom 21. storočia bola supratekutosť za určitých podmienok objavená aj vo vodíku a rôznych plynoch. ( , video)
V roku 1960 Ivor Jayever uskutočnil elektrické experimenty so supravodičmi oddelenými mikroskopickým filmom nevodivého oxidu hlinitého. Ukázalo sa, že na rozdiel od fyziky a logiky niektoré elektróny stále prechádzajú izoláciou. To potvrdilo teóriu o možnosti efektu kvantového tunela. Platí to nielen pre elektrinu, ale aj pre akékoľvek elementárne častice, sú to aj vlny podľa kvantovej fyziky. Môžu prechádzať cez prekážky, ak je šírka týchto prekážok menšia ako vlnová dĺžka častice. Čím je prekážka užšia, tým častejšie cez ňu častice prechádzajú. ( , video)
V roku 1982 fyzik Alain Aspe, budúci laureát Nobelova cena, poslal dva súčasne vytvorené fotóny do viacsmerných senzorov na určenie ich spinu (polarizácie). Ukázalo sa, že meranie spinu jedného fotónu okamžite ovplyvňuje polohu spinu druhého fotónu, ktorý sa stáva opačným. Možnosť sa teda potvrdila kvantové zapletenie elementárne častice a kvantová teleportácia. V roku 2008 sa vedcom podarilo zmerať stav kvantovo previazaných fotónov vo vzdialenosti 144 kilometrov a interakcia medzi nimi bola stále okamžitá, akoby boli na rovnakom mieste alebo tam nebol priestor. Verí sa, že ak takéto kvantovo zamotané fotóny skončia v opačných častiach vesmíru, interakcia medzi nimi bude stále okamžitá, hoci svetlu trvá desiatky miliárd rokov, kým prejde rovnakú vzdialenosť. Je to zvláštne, ale podľa Einsteina tiež nie je čas na to, aby fotóny cestovali rýchlosťou svetla. Je to náhoda? Fyzici budúcnosti si to nemyslia! ( , video)
V roku 1989 skupina vedcov vedená Davidom Winelandom pozorovala rýchlosť prechodu iónov berýlia medzi atómovými úrovňami. Ukázalo sa, že samotný fakt merania stavu iónov spomalil ich prechod medzi stavmi. Na začiatku 21. storočia sa pri podobnom experimente s atómami rubídia dosiahlo 30-násobné spomalenie. To všetko je potvrdením kvantového Zeno efektu. Jeho význam spočíva v tom, že už samotný fakt merania stavu nestabilnej častice v kvantovej fyzike spomaľuje rýchlosť jej rozpadu a teoreticky ju môže úplne zastaviť. ( , video v angličtine)
V roku 1999 tím vedcov pod vedením Marlana Scaliho nasmeroval fotóny cez dve štrbiny, za ktorými stál hranol, ktorý premenil každý vznikajúci fotón na pár kvantovo zapletených fotónov a rozdelil ich do dvoch smerov. Prvý poslal fotóny do hlavného detektora. Druhý smer poslal fotóny do systému 50% reflektorov a detektorov. Ukázalo sa, že ak fotón z druhého smeru dosiahol detektory, ktoré určili štrbinu, z ktorej vyžaroval, tak hlavný detektor zaznamenal jeho spárovaný fotón ako časticu. Ak fotón z druhého smeru dosiahol detektory, ktoré nezistili štrbinu, z ktorej vyžaroval, potom hlavný detektor zaznamenal svoj spárovaný fotón ako vlnu. Nielenže sa meranie jedného fotónu odrazilo na jeho kvantovom prepletenom páre, ale stalo sa to aj mimo vzdialenosti a času, pretože sekundárny detektorový systém detegoval fotóny neskôr ako hlavný, ako keby budúcnosť určovala minulosť. Verí sa, že ide o najneuveriteľnejší experiment nielen v histórii kvantovej fyziky, ale aj v histórii celej vedy, pretože podkopáva mnohé z obvyklých základov svetonázoru. ( , video v angličtine)
V roku 2010 Aaron O'Connell umiestnil malú kovovú platňu do nepriehľadnej vákuovej komory, ktorú ochladil takmer na absolútnu nulu. Potom aplikoval impulz na platňu, takže vibrovala. Snímač polohy však ukázal, že platňa vibruje a zároveň je tichá, čo presne zodpovedalo teoretickej kvantovej fyzike. Bolo to prvýkrát, čo bol dokázaný princíp superpozície na makroobjektoch. V izolovaných podmienkach, keď neexistuje interakcia medzi kvantovými systémami, môže byť objekt súčasne v neobmedzenom počte možných pozícií, ako keby už nebol hmotný. ( , video)
V roku 2014 Tobias Denkmair a jeho kolegovia rozdelili neutrónový lúč na dva lúče a vykonali sériu komplexných meraní. Ukázalo sa, že za určitých okolností môžu byť neutróny v jednom zväzku a ich magnetický moment v druhom zväzku. Potvrdil sa tak kvantový paradox úsmevu cheshireskej mačky, keď častice a ich vlastnosti môžu byť podľa nášho vnímania v rôzne časti priestor, ako úsmev na rozdiel od mačky v rozprávke „Alenka v krajine zázrakov“. Opäť sa ukázalo, že kvantová fyzika je tajomnejšia a úžasnejšia ako ktorákoľvek rozprávka! ( , video v angličtine.)
Ďakujem za prečítanie! Teraz ste sa stali o niečo múdrejšími a vďaka tomu je náš svet o niečo jasnejší. Zdieľajte odkaz na tento článok so svojimi priateľmi a svet sa stane ešte lepším miestom!
Keď ľudia počujú slová „kvantová fyzika“, zvyčajne nad tým pokrčia plecami: „Toto je niečo strašne komplikované. Medzitým to absolútne nie je pravda a v slove „kvantový“ nie je absolútne nič strašidelné. Je tam veľa nepochopiteľných vecí, veľa zaujímavých vecí, ale nič strašidelné.
O poličkách, rebríkoch a Ivanovi Ivanovičovi
Všetky procesy, javy a veličiny vo svete okolo nás možno rozdeliť do dvoch skupín: nepretržité (vedecky). kontinuum ) a nespojité (vedecky diskrétne resp kvantované ).
Predstavte si stôl, na ktorý môžete položiť knihu. Knihu môžete položiť kdekoľvek na stole. Pravá, ľavá, stredná... Kde len chcete, dajte si to tam. V tomto prípade fyzici hovoria, že pozícia knihy na stole sa mení nepretržite .
Teraz si predstavte police na knihy. Knihu môžete dať na prvú poličku, na druhú, tretiu alebo štvrtú – ale nemôžete dať knihu „niekam medzi tretiu a štvrtú“. V tomto prípade sa pozícia knihy zmení prerušovane , diskrétne , kvantované (všetky tieto slová znamenajú to isté).
Svet okolo nás je plný spojitých a kvantovaných veličín. Tu sú dve dievčatá - Katya a Masha. Ich výška je 135 a 136 centimetrov. Aká je to veľkosť? Výška sa plynule mení; môže to byť 135 a pol centimetra alebo 135 a štvrť centimetra. Ale číslo školy, kde dievčatá študujú, je kvantitatívne množstvo! Povedzme, že Káťa študuje v škole č. 135 a Máša študuje v škole č. 136. Nikto z nich však nemôže študovať na škole č. 135 a pol, však?
Ďalším príkladom kvantovaného systému je šachovnica. Na šachovnici je 64 polí a každá figúrka môže zaberať iba jedno pole. Môžeme umiestniť pešiaka niekde medzi bunky alebo umiestniť dvoch pešiakov na jednu bunku naraz? V skutočnosti môžeme, ale podľa pravidiel nie.
Zostup kontinua
A tu je šmykľavka na ihrisku. Deti sa z nej šmýkajú dole – výška šmykľavky sa totiž mení plynulo, plynulo. Teraz si predstavte, že táto šmykľavka sa zrazu (mvnutím čarovného prútika!) zmenila na schodisko. Odkotúľanie sa z nej na zadok už nebude fungovať. Budete musieť chodiť nohami - najprv jeden krok, potom druhý, potom tretí. Veľkosť (výška) sa zmenila nepretržite - ale začal sa meniť v krokoch, to znamená diskrétne, kvantované .
Kvantovaný zostup
Poďme sa na to pozrieť!
1. Sused na dači Ivan Ivanovič išiel do susednej dediny a povedal: "Po ceste si niekde oddýchnem."
2. Sused na dači Ivan Ivanovič išiel do susednej dediny a povedal: "Pôjdem nejakým autobusom."
Ktorú z týchto dvoch situácií („systémov“) možno považovať za spojitú a ktorú možno považovať za kvantovanú?
odpoveď:
V prvom prípade Ivan Ivanovič kráča a môže sa zastaviť na odpočinok v akomkoľvek bode. znamená, tento systém– nepretržitý.
V druhom môže Ivan Ivanovič nastúpiť do autobusu, ktorý príde na zastávku. Môže to zmeškať a čakať na ďalší autobus. Nebude však môcť sedieť „niekde medzi“ autobusmi. To znamená, že tento systém je kvantovaný!
Obviňujte z toho astronómiu
Starí Gréci si boli dobre vedomí existencie spojitých (spojitých) a nespojitých (kvantovaných, nespojitých, diskrétnych) veličín. Archimedes vo svojej knihe Psammit (Počet zŕn piesku) dokonca urobil prvý pokus o vytvorenie matematického spojenia medzi spojitými a kvantovanými veličinami. V tom čase však neexistovala kvantová fyzika.
Až do začiatku 20. storočia neexistoval! Takí veľkí fyzici ako Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Young alebo Maxwell nikdy nepočuli o žiadnej kvantovej fyzike a zaobišli sa bez nej dobre. Môžete sa opýtať: prečo potom vedci prišli s kvantovou fyzikou? Čo zvláštne sa stalo vo fyzike? Predstavte si, čo sa stalo. Len nie vo fyzike, ale v astronómii!
Tajomný spoločník
V roku 1844 najviac pozoroval nemecký astronóm Friedrich Bessel jasná hviezda našej nočnej oblohy - Sirius. V tom čase už astronómovia vedeli, že hviezdy na našej oblohe nie sú nehybné - pohybujú sa len veľmi, veľmi pomaly. Navyše, každá hviezda je dôležitá! - pohybuje sa v priamom smere. Takže pri pozorovaní Siriusa sa ukázalo, že sa vôbec nepohyboval v priamom smere. Zdalo sa, že hviezda sa „potácala“ najskôr jedným smerom, potom druhým. Siriusova cesta na oblohe bola ako kľukatá čiara, ktorú matematici nazývajú „sínusoida“.
Hviezda Sirius a jej satelit - Sirius B
Bolo jasné, že samotná hviezda sa takto pohybovať nemôže. Na premenu pohybu v priamom smere na pohyb pozdĺž sínusovej vlny je potrebná určitá „rušivá sila“. Preto Bessel navrhol, že okolo Siriusa sa točí ťažký satelit - to bolo najprirodzenejšie a najrozumnejšie vysvetlenie.
Výpočty však ukázali, že hmotnosť tohto satelitu by mala byť približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka. Prečo potom nevidíme tento satelit zo Zeme? Sirius sa nachádza z slnečná sústava neďaleko - asi dva a pol parseku a objekt veľkosti Slnka by mal byť viditeľný veľmi dobre...
Bola to náročná úloha. Niektorí vedci uviedli, že tento satelit je studená, chladená hviezda - preto je úplne čierna a z našej planéty neviditeľná. Iní hovorili, že tento satelit nie je čierny, ale priehľadný, a preto ho nevidíme. Astronómovia z celého sveta sa pozerali na Sirius cez teleskopy a pokúšali sa „chytiť“ záhadný neviditeľný satelit, no zdalo sa, že sa im to vysmieva. Bolo čo prekvapiť, viete...
Potrebujeme zázračný ďalekohľad!
Prostredníctvom takéhoto ďalekohľadu ľudia prvýkrát videli satelit Sirius
V polovici 19. storočia žil a pracoval v Spojených štátoch vynikajúci konštruktér ďalekohľadov Alvin Clark. Pôvodným povolaním bol výtvarník, no náhodou sa z neho stal prvotriedny inžinier, sklár a astronóm. Až doteraz nikto nedokázal prekonať jeho úžasné šošovkové teleskopy! Jednu zo šošoviek od Alvina Clarka (priemer 76 centimetrov) možno vidieť v Petrohrade, v múzeu observatória Pulkovo...
To sme však odbočili. Alvin Clark teda v roku 1867 zostrojil nový ďalekohľad – s objektívom s priemerom 47 centimetrov; bol v tom čase najväčší ďalekohľad v Spojených štátoch. Tajomný Sirius bol vybraný ako prvý nebeský objekt, ktorý bolo možné počas testov pozorovať. A nádeje astronómov boli brilantne opodstatnené - hneď v prvú noc bol objavený nepolapiteľný satelit Sirius, ktorý predpovedal Bessel.
Z panvice do ohňa...
Po získaní údajov z Clarkových pozorovaní sa však astronómovia neradovali dlho. Veď podľa výpočtov by hmotnosť satelitu mala byť približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka (333 000-násobok hmotnosti Zeme). Ale namiesto obrovského čierneho (alebo priehľadného) nebeského telesa astronómovia videli... malú bielu hviezdu! Táto hviezda bola veľmi horúca (25 000 stupňov, v porovnaní s 5 500 stupňami nášho Slnka) a zároveň maličká (podľa kozmických štandardov), nemala veľkosť viac ako Zem(následne sa takéto hviezdy nazývali „bieli trpaslíci“). Ukázalo sa, že táto hviezda mala úplne nepredstaviteľnú hustotu. Z akej látky sa teda skladá?!
Na Zemi poznáme materiály s vysokou hustotou – povedzme olovo (kocka s centimetrovou stranou vyrobená z tohto kovu váži 11,3 gramu) alebo zlato (19,3 gramu na centimeter kubický). Hustota látky satelitu Sirius (nazývala sa „Sirius B“) je milión (!!!) gramov na kubický centimeter - je 52-tisíckrát ťažší ako zlato!
Vezmime si napríklad obyčajnú zápalkovú škatuľku. Jeho objem je 28 kubických centimetrov. To znamená, že zápalková škatuľka naplnená hmotou satelitu Sirius bude vážiť... 28 ton! Skúste si predstaviť – na jednej strane váhy je zápalková škatuľka a na druhej nádrž!
Bol tu ešte jeden problém. Vo fyzike existuje zákon nazývaný Charlesov zákon. Uvádza, že v rovnakom objeme je tlak látky vyšší, čím vyššia je teplota tejto látky. Spomeňte si, ako tlak horúcej pary strhne veko z varnej kanvice – a okamžite pochopíte, o čom hovoríme. Takže teplota látky satelitu Sirius porušila práve tento Charlesov zákon tým najbezohľadnejším spôsobom! Tlak bol nepredstaviteľný a teplota relatívne nízka. Výsledkom boli „nesprávne“ fyzikálne zákony a vo všeobecnosti „nesprávna“ fyzika. Ako Macko Pú – „nesprávne včely a zlý med“.
úplne sa mi točí hlava...
Aby sa fyzika „zachránila“, museli vedci na začiatku 20. storočia priznať, že na svete existujú DVE fyziky naraz – jedna „klasická“, známa už dvetisíc rokov. A ten druhý je nezvyčajný, kvantový . Vedci tvrdia, že zákony klasickej fyziky fungujú na bežnej, „makroskopickej“ úrovni nášho sveta. Ale na najmenšej, „mikroskopickej“ úrovni sa hmota a energia riadia úplne inými zákonmi – kvantovými.
Predstavte si našu planétu Zem. Okolo nej sa teraz točí viac ako 15 000 rôznych umelých objektov, každý na svojej vlastnej obežnej dráhe. Okrem toho je možné túto obežnú dráhu v prípade potreby zmeniť (opraviť) - napríklad obežnú dráhu Internacionály vesmírna stanica(ISS). Ide o makroskopickú úroveň, fungujú tu zákony klasickej fyziky (napríklad Newtonove zákony).
Teraz prejdime na mikroskopickú úroveň. Predstavte si jadro atómu. Okolo neho sa točia elektróny ako satelity – ale nemôže ich byť toľko, koľko si želáte (napríklad atóm hélia nemá viac ako dva). A dráhy elektrónov už nebudú ľubovoľné, ale kvantované, „schodovité“. Fyzici tiež nazývajú takéto dráhy „povolené úrovne energie“. Elektrón sa nemôže „hladko“ pohybovať z jednej povolenej úrovne na druhú, môže len okamžite „skákať“ z úrovne na úroveň. Bol som len „tam“ a okamžite som sa ocitol „tu“. Nemôže byť niekde medzi „tam“ a „tu“. Okamžite zmení polohu.
úžasné? Úžasné! To však nie je všetko. Faktom je, že podľa zákonov kvantovej fyziky nemôžu dva rovnaké elektróny zaberať rovnakú energetickú hladinu. Nikdy. Vedci tento jav nazývajú „Pauliho vylúčenie“ (zatiaľ nevedia vysvetliť, prečo je tento „zákaz“ účinný). Tento „zákaz“ zo všetkého najviac pripomína šachovnicu, ktorú sme uviedli ako príklad kvantového systému – ak je na bunke šachovnice pešiak, na túto bunku nemožno umiestniť ďalšieho pešiaka. Presne to isté sa deje s elektrónmi!
Riešenie problému
Pýtate sa, ako to kvantová fyzika vysvetľuje? nezvyčajné javy, ako porušenie Charlesovho zákona vo vnútri Sirius B? Tu je návod.
Predstavte si mestský park, ktorý má tanečný parket. Po ulici chodí veľa ľudí, na parket si prídu zatancovať. Nech počet ľudí na ulici predstavuje tlak a počet ľudí na diskotéke teplotu. Na tanečný parket môže vstúpiť obrovské množstvo ľudí – než viac ľudí prechádzky v parku, čím viac ľudí tancuje na tanečnom parkete, teda čím vyšší tlak, tým vyššia teplota. Takto fungujú zákony klasickej fyziky – vrátane Charlesovho zákona. Vedci nazývajú túto látku „ideálnym plynom“.
Ľudia na tanečnom parkete sú „ideálny plyn“
Na mikroskopickej úrovni však neplatia zákony klasickej fyziky. Začínajú tam fungovať kvantové zákony a to radikálne mení situáciu.
Predstavme si, že na mieste tanečného parketu v parku bola otvorená kaviareň. Aký je rozdiel? Áno, faktom je, že do kaviarne, na rozdiel od diskotéky, nevstúpi „koľko ľudí“. Akonáhle budú všetky miesta pri stoloch obsadené, ochranka prestane púšťať ľudí dovnútra. A kým jeden z hostí neuvoľní stôl, ochranka nikoho nepustí! V parku sa prechádza stále viac ľudí - počet ľudí v kaviarni však zostáva rovnaký. Ukazuje sa, že tlak sa zvyšuje, ale teplota „stojí“.
Ľudia v kaviarni - „kvantový plyn“
Vo vnútri Sirius B samozrejme nie sú žiadni ľudia, tanečné parkety ani kaviarne. Princíp však zostáva rovnaký: elektróny naplnia všetky povolené úrovne energie (ako návštevníci zapĺňajú stoly v kaviarni) a už nikoho nemôžu „pustiť dnu“ – presne podľa Pauliho vylúčenia. Výsledkom je, že vo vnútri hviezdy vzniká nepredstaviteľne obrovský tlak, no teplota je vysoká, no pre hviezdy celkom bežná. Vo fyzike sa takáto látka nazýva „degenerovaný kvantový plyn“.
Ideme pokračovať?..
Anomálne vysoká hustota bielych trpaslíkov nie je zďaleka jediným javom vo fyzike, ktorý si vyžaduje použitie kvantových zákonov. Ak vás táto téma zaujíma, v ďalších číslach Luchika sa môžeme porozprávať o iných, nemenej zaujímavých, kvantových javoch. Napíšte! Zatiaľ si pripomeňme to hlavné:
1. V našom svete (Vesmíre) fungujú zákony klasickej fyziky na makroskopickej (t.j. „veľkej“) úrovni. Opisujú vlastnosti bežných kvapalín a plynov, pohyby hviezd a planét a mnoho iného. Toto je fyzika, ktorú študujete (alebo budete študovať) v škole.
2. Na mikroskopickej (teda neskutočne malej, miliónkrát menšej ako najmenšie baktérie) však fungujú úplne iné zákony – zákony kvantovej fyziky. Tieto zákony sú opísané veľmi zložitými matematickými vzorcami a v škole sa neštudujú. Len kvantová fyzika nám však umožňuje pomerne jasne vysvetliť štruktúru takýchto úžasných vesmírne objekty, ako bieli trpaslíci (ako Sirius B), neutrónové hviezdy, čierne diery a tak ďalej.
