Tu som viedol niekoľko dní rozhovor na túto tému oneskorená voľba kvantové vymazanie, dokonca ani nie tak diskusia, ako trpezlivé vysvetľovanie od môjho úžasného priateľa dr_tambowského o základoch kvantovej fyziky. Keďže som v škole slabo učil fyziku a v starobe ma rysovali, nasávam ju ako špongia. Rozhodol som sa zhromaždiť vysvetlivky na jednom mieste, možno niekto iný.
Na začiatok odporúčam pozrieť si karikatúru pre deti o rušení a venovať pozornosť „oku“. Pretože v skutočnosti je to celý problém.
Potom sa môžete pustiť do čítania textu od dr_tambowského, ktorý nižšie citujem v plnom znení, alebo kto je šikovný a šikovný, môže si ho hneď prečítať. Lepšie oboje.
Čo je rušenie.
Všemožných pojmov a pojmov je naozaj veľa a sú veľmi zmätené. Poďme pekne po poriadku. Po prvé, ide o rušenie ako také. Existuje veľa príkladov interferencie a existuje veľa rôznych interferometrov. Konkrétnym experimentom, ktorý je neustále zaujatý a často používaný v tejto vede o vymazávaní (hlavne preto, že je jednoduchý a pohodlný), sú dve štrbiny vyrezané vedľa seba, navzájom rovnobežné v nepriehľadnej obrazovke. Na začiatok si posvietime na takúto dvojitú štrbinu. Svetlo je vlna, nie? A neustále pozorujeme interferenciu svetla. Berte to s vierou, že ak si posvietite na tieto dva sloty a na druhú stranu umiestnite obrazovku (alebo len stenu), potom na tejto druhej obrazovke tiež uvidíme interferenčný obrazec - namiesto dvoch jasných bodov svetla „prešlo cez štrbiny“ na druhej obrazovke (stene) bude plot striedajúcich sa jasných a tmavých pruhov. Opäť si všimnite, že ide o čisto vlnovú vlastnosť: ak hádžeme kamene, potom tie z nich, ktoré padnú do otvorov, budú pokračovať v lete priamo a narážajú na stenu, každý za svojou drážkou, to znamená, že uvidíme dve nezávislé hromady kamene (ak sa prilepia na stenu samozrejme 🙂), bez zasahovania.
Potom, pamätajte, v škole učili o „dualizme častíc a vĺn“? 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 sú "hodené" na dvojitom slote, ako kamienky, potom na stene za slotmi uvidíme čo? Odpoveďou nie sú dve oddelené miesta, ale opäť interferenčný obraz!! To znamená, že elektróny môžu tiež rušiť.
Na druhej strane sa ukazuje, že svetlo nie je tak celkom vlna, ale aj častica – fotón. To znamená, že sme teraz takí inteligentní, že chápeme, že dva vyššie opísané experimenty sú to isté. Na štrbiny hádžeme (kvantové) častice a častice na týchto štrbinách rušia - na stene sú viditeľné striedavé pruhy ("viditeľné" - v zmysle toho, čím registrujeme fotóny alebo elektróny, oči na to nie sú potrebné 🙂) .
Teraz, vyzbrojení týmto univerzálnym obrázkom, položme ďalšiu, jemnejšiu otázku (pozor, veľmi dôležitá!!):
Keď svietime na štrbinu našimi fotónmi / elektrónmi / časticami, vidíme interferenčný obrazec na druhej strane. úžasné. Čo sa však stane s jedným fotónom / elektrónom / pi-mezónom? [a hovorme odteraz - len pre pohodlie - len o fotónoch]. Koniec koncov, takáto možnosť je možná: každý fotón letí ako kamienok cez svoju vlastnú štrbinu, to znamená, že má celkom určitú trajektóriu. Tento fotón letí cez ľavú štrbinu. A tá tamto - cez tú pravú. Keď tieto fotóny-kamienky po svojich špecifických trajektóriách dosiahnu stenu za štrbinami, nejakým spôsobom tam interagujú a v dôsledku tejto interakcie už na samotnej stene vzniká interferenčný obrazec. Zatiaľ nič v našich experimentoch nie je v rozpore s touto interpretáciou - koniec koncov, keď svietime jasným svetlom na slot, vysielame veľa fotónov naraz. Pes vie, čo tam robia.
Na to dôležitá otázka máme odpoveď. Vieme, ako hádzať jeden fotón naraz. Opustili to. Čakali. Hodili ďalšiu. Pozorne hľadíme na stenu a všimneme si, kam tieto fotóny prichádzajú. Jediný fotón samozrejme nemôže z princípu vytvoriť pozorovateľný interferenčný obrazec – je jeden, a keď ho zaregistrujeme, môžeme ho vidieť len na určitom mieste a nie všade naraz. Avšak späť k analógii s kamienkami. Jeden kamienok preletel. Narazil do steny za jedným slotom (samozrejme tým, ktorým preletel). Tu je ďalší - opäť narazený za slotom. sedíme. Počítame. Po určitom čase a po nahodení dostatočného množstva kamienkov dosiahneme 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 dorazilo na jednotlivé miesta na stene. Pomaly sa z toho zbláznime, pretože výsledné rozloženie frekvencií 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 je dnes. Ďalší je zajtra. Na stene sa nemohli vzájomne ovplyvňovať. Teda v plnom súlade s kvantová mechanika, jeden samostatný fotón je súčasne vlnou a nič vlnenie mu nie je cudzie. Fotón v našom experimente nemá presne stanovenú trajektóriu – každý jednotlivý fotón prechádza oboma štrbinami naraz a akoby do seba zasahuje. Experiment môžeme zopakovať, pričom necháme otvorenú iba jednu štrbinu – potom sa za ňou fotóny prirodzene zhlukujú. Zatvorte prvý, otvorte druhý, stále hádzajte fotóny jeden po druhom. Sú zhrnuté, samozrejme, pod druhým, otvoreným slotom. Otvárame oboje – výsledné rozloženie miest, kde sa fotóny radi zhlukujú, nie je súčtom rozdelení získaných, keď bola otvorená iba jedna štrbina. Teraz sú stále zoskupené medzi trhlinami. Alebo skôr ich obľúbené miesta hromady sú teraz striedavé pruhy. V tomto - hŕstka, v ďalšom - nie, opäť - áno, tmavé, svetlé. Ach, rušenie...
Čo je superpozícia a rotácia.
Takže Budeme predpokladať, že rozumieme všetkému o interferencii ako takej. Zoberme si superpozíciu. Neviem ako ste na tom s kvantovou mechanikou, prepáčte. Ak je to zlé, tak treba veľa brať na vieru, ťažko sa to vysvetľuje v skratke.
Ale v zásade sme už boli niekde blízko - keď sme videli, že jeden fotón preletí akoby naraz dvoma štrbinami. 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 po tejto ceste až do konca, potom sa dostaneme k „integrálu cesty“ – Feynmanovej formulácii kvantová mechanika... Táto formulácia je neuveriteľne elegantná a rovnako zložitá, v praxi je ťažké ju použiť, o to viac ju použiť na vysvetlenie základov. Preto nepôjdeme na koniec, ale radšej budeme meditovať nad fotónom letiacim „po dvoch dráhach naraz“. V zmysle klasických pojmov (a trajektória je celkom presne definovaný klasický pojem, buď kameň letí hlava-nehlava, alebo okolo) je fotón súčasne v rôznych stavoch. Ešte raz, trajektória nie je ani presne taká, akú by sme potrebovali, naše ciele sú jednoduchšie, len nabádam uvedomiť si a precítiť skutočnosť.
Kvantová mechanika nám hovorí, že toto je pravidlo, nie výnimka. Akákoľvek kvantová častica môže byť (a zvyčajne je) v „niekoľkých stavoch“ naraz. V skutočnosti toto vyhlásenie nemusíte brať príliš vážne. Tieto „viaceré stavy“ sú vlastne našou klasickou intuíciou. Rôzne „stavy“ definujeme na základe niektorých vlastných (externých a klasických) úvah. 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. Zavedieme klasický pojem trajektórie a aplikujeme ho na fotón v stave, v akom sa mu páči byť. A fotón hovorí - „Prepáč, môj obľúbený štát je taká, že vo vzťahu k týmto vašim trajektóriám som na oboch naraz!" To neznamená, že fotón nemôže byť vôbec v stave, v ktorom je trajektória (viac-menej) definovaná. Zatvoríme jeden zo slotov - a môžeme do určitej miery povedať, že fotón preletí druhým 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 späť. Pamätáte si na dva elektróny, ktoré môžu sedieť spolu na rovnakom s-orbitále - ak majú opačné spiny? Toto je presne ono. A fotón má tiež spin. Na spine fotónu 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 drahšie ako fotóny, takže je všetko po starom), ale elektrónu je absolútne ľahostajné, v akom "stave spinu" sa nachádza. Spin je vektor a môžeme sa pokúsiť povedať „točenie sa pozerá hore“. Alebo „točenie sa pozerá nadol“ (vo vzťahu k nejakému smeru, ktorý sme si vybrali). A elektrón nám hovorí: "Nezáležalo mi na tebe, 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. Rovnakým spôsobom neprechádzajú rôznymi štrbinami rôzne elektróny, ale jeden elektrón (alebo fotón) prechádza oboma štrbinami naraz. Elektrón môže byť v stave s určitým smerom rotácie, ak je o to požiadaný, ale on sám to neurobí. Polokvalitatívnu situáciu možno opísať takto: 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 sa však nevynaloží žiadne zvláštne úsilie, elektrón sa „rozmaže“ v oboch stavoch a jeho stav bude niečo ako | +1> + | -1>, stav, v ktorom elektrón nemá jednoznačný smer spinu (rovnako ako dráha 1+ dráha 2, však?). Toto je „superpozícia štátov“.
O kolapse vlnovej funkcie.
Zostáva nám veľmi málo - aby sme pochopili, čo je meranie a „kolaps vlnovej funkcie“. Vlnová funkcia je to, čo sme napísali vyššie, | +1> + | -1>. Len popis stavu. Pre zjednodušenie sa môžeme baviť o samotnom štáte ako takom a o jeho „kolapse“ je to jedno. To je to, čo sa stane: elektrón letí sám k sebe v takom neurčitom stave mysle, či je hore, alebo dole, alebo oboje naraz. Potom pribehneme s akýmsi odstrašovacím zariadením a zmeriame smer chrbta. V tomto konkrétnom prípade stačí vraziť elektrón do magnetického poľa: tie elektróny, ktorých spin sa pozerá pozdĺž smeru poľa, by mali byť vychýlené jedným smerom, elektróny s opačným smerom k poľu - druhým smerom. Sadneme si na druhú stranu a šúchame si ruky – vidíme, ktorým smerom sa elektrón odchýlil a hneď vieme, či sa jeho spin pozerá hore alebo dole. Fotóny sa dajú zatlačiť do polarizačného filtra - ak je polarizácia (spin) +1, fotón prejde, ak -1, tak nie.
Ale prepáčte - mal elektrón pred meraním určitý smer spinu? Toto je podstata. Neexistovala žiadna jednoznačná, ale bola akoby „zmiešaná“ z dvoch stavov naraz a v každom z týchto stavov bol smer veľmi rovnomerný. 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 tento konkrétny elektrón urobí, keď vletí do magnetického poľa. S 50% pravdepodobnosťou sa môže rozhodnúť „hore“, s rovnakou pravdepodobnosťou – „dole“. Ale akonáhle sa to 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; "Miešanie" druhej zložky už nie je v dohľade!
Do značnej miery tu išlo v pôvodnej nahrávke o prázdne filozofovanie a práve to sa mi na konci kresleného filmu nepáči. Jednoducho sa tam pritiahne oko a neskúsený divák môže mať po prvé ilúziu určitej antropocentrickosti procesu (hovorí sa, že na „meranie“ je potrebný pozorovateľ) a po druhé jeho neinvazívnosti (no, my len hľadám!). Moje myšlienky na túto tému boli uvedené 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 sú, bez ohľadu na to, či sedíme na druhej strane a pozorujeme alebo 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 letel“? Aby ste sa pozreli, potrebujete fotóny, aby zasiahli oko, najlepšie veľa. Ako zariadiť, aby dorazilo veľa fotónov a povedali nám všetko o stave jedného nešťastného fotónu, ktorého stav nás zaujíma? Posvietiť si na neho baterkou? A čo z neho potom zostane? Je jasné, že jeho stav veľmi ovplyvníme, možno až do takej miery, že sa mu nebude chcieť liezť do jedného slotu. Nie je to až také zaujímavé. Ale konečne sme sa dostali k zaujímavosti.
O Einstein-Podolsky-Rosenovom paradoxe a prepletených pároch fotónov
Teraz vieme o superpozícii stavov, ale doteraz sme hovorili len o jednej častici. Len pre jednoduchosť. Ale predsa, čo ak máme dve častice? Môžete pripraviť niekoľko častíc v úplne kvantovom stave, takže ich všeobecný 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 ani nevedia, takže môžu a mali by byť opísané úplne nezávisle. Preto je možné len vypočítať väzbovú energiu povedzme jedného elektrónu na jeden protón v atóme vodíka, úplne nezaujímajú ostatné elektróny na Marse alebo dokonca na susedné atómy. Ale ak sa špeciálne pokúsite, potom môže byť naraz vytvorený kvantový stav zahŕňajúci dve častice. Toto sa bude nazývať „koherentný stav“, ako sa to vzťahuje na páry častíc a všetky druhy kvantových vymazaní a počítačov, nazýva sa to aj zapletený stav.
Pohybujúce sa na. Môžeme vedieť (kvôli obmedzeniam vyplývajúcim z procesu prípravy tohto koherentného stavu), že povedzme celkový spin nášho systému dvoch častíc je rovný nule. Nevadí, vieme, že spiny dvoch elektrónov v s-orbitáli musia byť antiparalelné, čiže celkový spin je nulový, a to nás vôbec nedesí, však? To, čo nevieme, je, kam sa pozerá rotácia konkrétnej častice. Vieme len, že kamkoľvek 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 zásade takýto: | +1 (A), -1 (B)> (A pozerá hore, B dole) . Toto je povolený stav, neporušuje uložené obmedzenia. Ďalšou možnosťou je | -1 (A), +1 (B)> (naopak, A dole, B hore). Tiež možný stav. Nepripomína vám to stavy, ktoré sme pre spin jedného jediného elektrónu zaznamenali o niečo skôr? Pretože náš systém dvoch častíc, hoci je kvantový a koherentný, môže (a bude) byť v superpozícii stavov | +1 (A); -1 (B) > + | -1 (A); +1 (B)>. To znamená, že obe možnosti sa realizujú súčasne. Ako obe trajektórie fotónu alebo oba smery spinu jedného elektrónu.
Meranie takéhoto systému je oveľa zábavnejšie ako jeden fotón. Predpokladajme, že meriame spin iba jednej častice, A. Už sme pochopili, že meranie je pre kvantovú časticu silným stresom, jej stav sa počas merania dramaticky zmení, dôjde ku kolapsu... To je pravda, ale - v tomto prípade je tu ešte druhá častica B, ktorá je pevne 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 zapletený stav opísaný vyššie s B. Ak meranie A dáva +1 a vieme, že spiny A a B sú antiparalelné, vieme, že spin B sa pozerá nadol (-1). Vlnová funkcia páru sa zrúti na to, čo môže, alebo možno len na | +1 (A); -1 (B)>. Iné možnosti nám opísaná vlnová funkcia neposkytuje.
Zatiaľ nič? Myslíte si, že je zachránená úplná rotácia? Teraz si predstavme, že sme vytvorili takýto pár A, B a nechali tieto dve častice letieť rôznymi smermi, pričom by zostali koherentné. Jedna (A) letela k Merkúru. A druhý (B) povedzme Jupiterovi. Práve v tomto momente sme boli náhodou 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, zistíme aj smer rotácie druhého, nech už je v tom čase kdekoľvek, dokonca aj na Jupiteri. Ale tieto kamene sa vždy pred akýmkoľvek naším meraním otáčali určitým smerom. A ak niekto zmeria kameň letiaci k Jupiteru, potom (a) dostane rovnakú a celkom jednoznačnú odpoveď, bez ohľadu na to, či sme niečo namerali na Merkúre alebo nie. S našimi fotónmi je situácia úplne iná. Žiadna z nich nemala pred meraním žiadny konkrétny smer otáčania. Ak by sa niekto bez našej účasti rozhodol zmerať smer rotácie B niekde v oblasti Marsu, čo by získal? Presne tak, s pravdepodobnosťou 50 % by videl +1, s pravdepodobnosťou 50 % -1. Taký je stav B, superpozícia. Ak sa toto niekto rozhodne zmerať rotáciu B ihneď potom, čo sme už zmerali rotáciu 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 definitívne rozhodol, kto by mal byť a „zvolil“ smer rotácie – a táto voľba okamžite ovplyvnila * celú * vlnovú funkciu a stav B, ktorý už v tej chvíli diabol vie. kde.
Práve táto nepríjemnosť sa nazýva „nelokalita 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 sa vymazávanie prelína s tým, že ide len o experimentálnu demonštráciu nelokality.
Zjednodušene, experiment s vymazaním môže vyzerať takto: vytvorte zapletené páry fotónov. Jeden po druhom: pár, potom ďalší atď. V každom páre letí jeden fotón (A) jedným smerom, druhý (B) druhým. Všetko, ako sme diskutovali vyššie. Na dráhu fotónu B dáme dvojitú štrbinu a uvidíme, čo sa objaví za touto štrbinou na stene. Vzniká interferenčný obrazec, pretože každý fotón B, ako vieme, letí po oboch trajektóriách, cez oba rezy naraz (ešte si pamätáme interferenciu, s ktorou sme začali tento príbeh, však?). Fakt, že B je stále koherentne spojený s A a má spoločnú vlnovú funkciu s A, je pre neho skôr fialový. Experiment skomplikujeme: jednu štrbinu prekryjeme filtrom, ktorý prepustí len fotóny so spinom +1. Druhý prekryjeme filtrom, ktorý prepustí len fotóny so spinom (polarizáciou) -1. Naďalej si užívame interferenčný obraz, pretože v Všeobecná podmienka dvojice A, B(| +1 (A); -1 (B)> + | -1 (A); + 1 (B)>, ako si pamätáme), existujú stavy B s oboma rotáciami. To znamená, že „časť“ B môže prejsť cez jeden filter/štrbinu, časť cez iný. Tak ako predtým, jedna „súčiastka“ letela po jednej trajektórii, druhá po inej (samozrejme, ide o figúrku reči, ale faktom zostáva).
Nakoniec kulminácia: niekde na ortuti, alebo trochu bližšie, na druhý koniec optickej tabuľky dáme do dráhy fotónov A polarizačný filter a za filtrom je detektor. Pre istotu nech tento nový filter prepúšťa len fotóny so spinom +1. Pri každom spustení detektora vieme, že okolo preletel fotón A so spinom +1 (spin -1 neprejde). To však znamená, že vlnová funkcia celého páru sa zrútila a „brat“ nášho fotónu, fotón B, má v tejto chvíli iba jeden možný stav -1. Všetko. Fotón B teraz nemá „čo“ preliezť, štrbina je pokrytá filtrom, ktorý prepúšťa len polarizáciu +1. Taký komponent mu jednoducho nezostal. Tento fotón B je veľmi jednoduché „rozpoznať“. Spárujeme jeden po druhom. Keď zaregistrujeme fotón A prechádzajúci cez filter, zaznamenáme čas, kedy dorazil. Napríklad pol sekundy. To znamená, že jeho „brat“ B priletí o pol druhej k stene tiež. No, alebo o 1:36, ak poletí trochu ďalej a teda dlhšie. Tam si zapisujeme aj časy, čiže môžeme porovnávať, kto je kto a kto je s kým príbuzný.
Ak sa teda teraz pozrieme na to, aký obraz sa objaví na stene, nenájdeme žiadne rušenie. Fotón B z každého páru prechádza buď cez jeden slot, alebo cez druhý. Na stene sú dve škvrny. Teraz odstráňte filter z dráhy fotónov A. Interferenčný obrazec je obnovený.
... a nakoniec o oneskorenom výbere
Situácia sa stáva dosť nepríjemnou, keď fotónu A trvá dlhšie, kým preletí k svojmu filtru/detektoru, ako fotónu B do štrbín. Urobíme meranie (a prinútime A vyriešiť a vlnovú funkciu zrútiť) potom, čo by B už dosiahol stenu a vytvoril interferenčný obrazec. Pokiaľ však meriame A, dokonca „neskôr ako by malo“, interferenčný obrazec pre fotóny B stále mizne. Odstránime filter pre A - je obnovený. Toto je už oneskorené vymazanie. Nemôžem povedať, že veľmi dobre rozumiem tomu, s čím to jedia.
Opravy a upresnenia.
Všetko bolo správne, prispôsobené nevyhnutným zjednodušeniam, až kým sme nepostavili zariadenie s dvoma zapletenými fotónmi. Najprv má fotón B interferenciu. Zdá sa, že to nefunguje s filtrami. Musíte pokryť platňami, ktoré menia polarizáciu z lineárnej na kruhovú. Toto sa už vysvetľuje ťažšie 😦 Ale to nie je to hlavné. Hlavné je, že keď takto uzatvoríme sloty rôznymi filtrami, rušenie zmizne. Nie v momente, keď meriame fotón A, ale okamžite. Záludný trik je v tom, že umiestnením filtrov na platňu 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, ktorou trajektóriou B preletel, čo znamená, že B nebude mať žiadnu interferenciu. Jemnosť je v tom, že nie je potrebné fyzicky „merať“ A! Tu som sa minule hrubo mýlil. Nemusíte merať A, aby rušenie zmizlo. Ak * je možné * zmerať a zistiť, po ktorej z trajektórií fotón B letel, tak už v tomto prípade k interferencii nedôjde.
V podstate sa to ešte dá zažiť. Tam pri odkaze nižšie ľudia akosi bezradne rozhadzujú rukami, ale podľa mňa (možno sa zase mýlim? Nezáleží na tom, či sme skutočne zaregistrovali polarizáciu alebo trajektóriu, po ktorej fotón prešiel, alebo sme na poslednú chvíľu mávli rukou. Je dôležité, aby sme všetko "pripravili" na meranie, už ovplyvnili stavy. Preto vlastne „meranie“ (v zmysle uvedomelého človeka podobného pozorovateľa, ktorý si priniesol teplomer a výsledok zapísal do denníka) nepotrebuje nič. Všetko v istom zmysle (v zmysle ovplyvnenia systému) je už „merané“. Tvrdenie je zvyčajne formulované takto: „* ak * zmeriame polarizáciu fotónu A, potom budeme poznať polarizáciu fotónu B, a teda aj jeho trajektóriu, ale keďže fotón B letí po určitej trajektórii, potom tam nebude zasahovať; možno ani nezmeriame fotón A - stačí, že toto meranie je možné, fotón B vie, že sa dá zmerať a odmieta rušiť." Je v tom istá mystifikácia. No áno, odmieta. Jednoducho preto, že systém bol takto pripravený. Ak má systém dodatočné informácie (existuje spôsob) na určenie, ktorou z dvoch trajektórií fotón preletel, potom tiež nedôjde k žiadnemu rušeniu.
Ak vám poviem, že som všetko zariadil tak, aby fotón preletel len cez jeden slot, hneď pochopíte, že k rušeniu nedôjde? Môžete bežať skontrolovať („zmerať“) a uistiť sa, že hovorím pravdu, alebo tomu môžete aj tak veriť. Ak som neklamal, nedôjde k žiadnemu rušeniu bez ohľadu na to, či sa ponáhľate skontrolovať ma alebo nie 🙂 Preto fráza „dá sa merať“ v skutočnosti znamená „systém je pripravený takým špeciálnym spôsobom, že ...“. Pripravené a uvarené, čiže kolaps na tomto mieste ešte nie je. Existujú „označené“ fotóny a žiadne rušenie.
Potom – prečo sa to vlastne všetko nazýva vymazanie – nám je povedané: konajme v systéme tak, aby sme tieto značky „vymazali“ z fotónov B – potom začnú opäť zasahovať. Zaujímavým bodom, ku ktorému sme sa už priblížili, aj keď v chybnom modeli, je, že fotóny B môžu byť ponechané na pokoji a platne môžu byť 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 dostatok informácií na to, aby sme určili, cez ktorú medzeru sa fotón B nachádza. prešiel. To znamená, že na dráhu fotónu A vložíme polarizátor - interferencia fotónov B sa obnoví. S oneskorením je všetko rovnaké - robíme to tak, že fotónu A trvá dlhšie letieť do polarizátora ako B do slotov. A napriek tomu, ak má A polarizátor na ceste, potom B ruší (hoci, ako to bolo, "predtým, než A priletel k polarizátoru)!
Krmivo. Môžete, alebo z vašej vlastnej stránky.
Určite ste už veľakrát počuli o nevysvetlených záhadách kvantovej fyziky a kvantovej mechaniky... Jeho zákony fascinujú mysticizmom a aj samotní fyzici priznávajú, že im úplne nerozumejú. Na jednej strane je zvedavé pochopiť tieto zákony, no na druhej strane nie je čas čítať mnohozväzkové a zložité knihy o fyzike. Naozaj ťa chápem, pretože aj ja milujem poznanie a hľadanie pravdy, no na všetky knihy je strašne málo času. Nie ste sami, veľa zvedavcov napíše do vyhľadávacieho poľa: “ 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." Táto publikácia je pre vás..
Pochopíte základné pojmy a paradoxy kvantovej fyziky. Z článku sa dozviete:
Kvantová mechanika je súčasťou kvantovej fyziky.
Prečo je také ťažké pochopiť tieto vedy? Odpoveď je jednoduchá: kvantová fyzika a kvantová mechanika (časť kvantovej fyziky) študujú zákony mikrosveta. A tieto zákony sú absolútne odlišné od zákonov nášho makrokozmu. Preto je pre nás ťažké predstaviť si, čo sa deje s elektrónmi a fotónmi v mikrokozme.
Príklad rozdielu medzi zákonitosťami makro- a mikrosveta: v našom makrokozme, ak vložíte loptu do jednej z 2 krabíc, potom jedna z nich bude prázdna a druhá - lopta. Ale v mikrokozme (ak je namiesto gule atóm) môže byť atóm súčasne v dvoch krabiciach. Experimentálne sa to mnohokrát potvrdilo. Nie je ťažké dostať to do hlavy? Ale nemôžete argumentovať faktami.
Ešte jeden príklad. Odfotili ste rýchlo idúce červené športové auto a na fotke ste videli rozmazaný vodorovný pruh, ako keby auto v momente fotografie bolo z viacerých bodov v priestore. Napriek tomu, čo vidíte na fotke, stále máte istotu, že auto bolo pri druhom, keď ste ho fotili. na jednom konkrétnom mieste vo vesmíre... V mikrosvete to tak nie je. Elektrón, ktorý obieha okolo jadra atómu, sa v skutočnosti netočí, ale sa nachádza súčasne vo všetkých bodoch gule okolo jadra atómu. Ako voľné klbko nadýchanej vlny. Tento pojem vo fyzike sa nazýva "Elektronický cloud" .
Malý exkurz do histórie. Vedci prvýkrát začali uvažovať o kvantovom svete, keď sa v roku 1900 nemecký fyzik Max Planck pokúsil zistiť, prečo kovy menia farbu pri zahrievaní. Bol to on, kto predstavil koncept kvanta. Predtým si vedci mysleli, že svetlo sa šíri nepretržite. Prvý, 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 fyzika a mechanika (Wikipedia), je potrebné v istom zmysle abstrahovať od nám známych zákonov klasickej fyziky. A predstavte si, že ste sa ponorili ako Alica do králičej nory v krajine zázrakov.
A tu je karikatúra pre deti a dospelých. Opisuje základný experiment kvantovej mechaniky s 2 štrbinami a pozorovateľom. Trvá len 5 minút. Skontrolujte si to skôr, ako sa ponoríme do základných otázok a konceptov kvantovej fyziky.
Video o kvantovej fyzike pre figuríny... V karikatúre dávajte pozor na "oko" pozorovateľa. Stal sa vážnou hádankou pre fyzikov.
Na začiatku kresleného filmu bolo na príklade kvapaliny znázornené, ako sa správajú vlny - na obrazovke za tanierom so štrbinami sa objavujú striedavo tmavé a svetlé vertikálne pruhy. A v prípade, že diskrétne častice (napríklad kamienky) sú "strelené" na tanier, preletia cez 2 štrbiny a zasiahnu obrazovku priamo oproti štrbinám. A na obrazovke sa „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. Stále tie zvislé pruhy nazývaný interferenčný vzor.
V našom makrokozme často pozorujeme, že svetlo sa správa ako vlna. Ak položíte ruku pred sviečku, na stene nebude jasný tieň z ruky, ale s rozmazanými obrysmi.
Takže to nie je až také ťažké! 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 20. storočia).
Inštalácia opísaná v karikatúre nebola žiarená svetlom, ale „vystrelená“ elektrónmi (ako samostatnými časticami). 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 sú „hodené“ do 2 štrbín, ako 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 aj vlnovú povahu, môžu rušiť. Na druhej strane sa ukázalo, že svetlo nie je len vlna, ale aj častica - fotón (od historické pozadie na začiatku článku sme sa dozvedeli, že Einstein dostal za tento objav Nobelovu cenu).
Možno si pamätáte, že nás v škole učili na fyzike o "Dualizmus častíc a vĺn"? To znamená, že kedy prichádza o veľmi malých časticiach (atómoch, elektrónoch) mikrosveta, teda sú to vlny aj častice
Dnes sme vy a ja takí inteligentní a chápeme, že dva 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, sú to vlny aj častice 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 obrazec (zvislé pruhy). Je to jasné. Sme však zvedaví, ako každý z elektrónov cestuje cez štrbinu.
Pravdepodobne jeden elektrón letí do ľavého slotu, druhý doprava. Potom by sa však na obrazovke mali objaviť 2 zvislé pruhy priamo oproti slotom. Prečo existuje interferenčný vzor? Možno, že elektróny spolu nejako interagujú už na obrazovke po prelete cez štrbiny. A výsledkom je taký vlnový vzor. Ako to môžeme sledovať?
Elektróny budeme hádzať nie lúčom, ale jeden po druhom. Zahodíme, počkáme, zahodíme ďalší. Teraz, keď elektrón letí sám, už nebude môcť interagovať na obrazovke s inými elektrónmi. Každý elektrón po hode zaregistrujeme na obrazovke. Jedno či dve nám, samozrejme, „nenamaľujú“ jasný obraz. Ale keď ich pošleme do slotov veľa po jednom, všimneme si ... oh, hrôza - opäť "namaľovali" interferenčný vlnový vzor!
Začíname sa pomaly blázniť. Veď sme čakali, že oproti slotom budú 2 zvislé pruhy! Ukázalo sa, že keď sme fotóny hádzali jeden po druhom, každý z nich prešiel, akoby cez 2 štrbiny súčasne, a zasahoval do seba. Fantázia! Vráťme sa k vysvetleniu tohto javu v ďalšej časti.
Teraz vieme, čo je rušenie. Toto je vlnové správanie mikročastíc – fotónov, elektrónov, iných mikročastíc (odteraz ich pre zjednodušenie nazývajme fotóny).
Výsledkom experimentu, keď sme hodili 1 fotón do 2 štrbín, sme si uvedomili, že sa zdalo, že preletí cez dve štrbiny súčasne. Ako inak vysvetliť interferenčný obrazec na obrazovke?
Ako si však predstaviť obrázok, na ktorom fotón preletí dvoma štrbinami súčasne? Sú 2 možnosti.
V zásade sú tieto vyhlásenia ekvivalentné. Dospeli sme k „cestnému integrálu“. Toto je formulácia kvantovej mechaniky Richarda Feynmana.
Mimochodom, presne tak Richard Feynman ten známy výraz patrí môžeme s istotou tvrdiť, že nikto nerozumie kvantovej mechanike
Ale tento jeho výraz 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 súčasne cez 2 sloty. Preto bude pre nás ľahké pochopiť nasledujúce dôležité vyhlásenie kvantovej mechaniky:
Presne povedané, kvantová mechanika nám hovorí, že toto správanie fotónu je pravidlom, nie výnimkou. Každá kvantová častica sa spravidla nachádza v niekoľkých stavoch alebo v niekoľkých bodoch priestoru súčasne.
Objekty makrokozmu môžu byť len na jednom konkrétnom mieste a v jednom konkrétnom stave. Ale kvantová častica existuje podľa svojich vlastných zákonov. A je jej jedno, či im nerozumieme. Toto je pointa.
Musíme len ako axiómu priznať, že „superpozícia“ kvantového objektu znamená, že môže byť na 2 alebo viacerých trajektóriách súčasne, v 2 alebo viacerých bodoch súčasne.
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 hore alebo dole. 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!“.
Veľa nám nezostáva – aby sme pochopili, čo je „meranie“ a čo je „kolaps vlnovej funkcie“.
Vlnová funkcia Je to popis stavu kvantového objektu (náš fotón alebo elektrón).
Predpokladajme, že máme elektrón, letí k sebe v neurčitom stave jeho rotácia smeruje súčasne nahor aj nadol... Musíme zmerať jeho stav.
Meriame s magnetické pole: elektróny, v ktorých spin smeroval v smere poľa, sa vychýlia na jednu stranu a elektróny, v ktorých spin smeroval proti poľu - na druhú stranu. Fotóny môžu byť nasmerované aj do polarizačného filtra. Ak je spin (polarizácia) fotónu +1, prejde cez filter a ak -1, tak nie.
Stop! Tu budete mať nevyhnutne otázku: pred meraním predsa elektrón nemal žiadny konkrétny smer spinu, však? Bol vo všetkých štátoch súčasne?
Toto je trik a senzácia kvantovej mechaniky.... Kým nezmeriate stav kvantového objektu, môže sa otáčať ľubovoľným smerom (mať ľubovoľný smer vektora vlastného momentu hybnosti – spin). Ale v momente, keď ste zmerali jeho stav, sa zdá, že sa rozhoduje, ktorý spinový vektor zoberie.
Tento kvantový objekt je taký cool - rozhoduje o svojom vlastnom stave. A nevieme vopred predpovedať, aké rozhodnutie urobí, keď vletí do magnetického poľa, v ktorom ho meriame. Pravdepodobnosť, že sa rozhodne pre vektor otáčania nahor alebo nadol, je 50-50%. Ale akonáhle sa rozhodol - je v určitom stave s konkrétnym smerom otáčania. Dôvodom jeho rozhodnutia je naša „rozmernosť“!
Toto sa volá " kolaps vlnovej funkcie"... Vlnová funkcia pred meraním bola nedefinovaná, t.j. elektrónový spinový vektor bol umiestnený súčasne vo všetkých smeroch, po meraní si elektrón zafixoval určitý smer svojho spinového vektora.
Roztočte mincu na stole ako kolotoč. Kým sa minca točí, nemá žiadny konkrétny význam – hlavy alebo chvosty. Akonáhle sa však rozhodnete túto hodnotu „zmerať“ a udupať mincou rukou, tu získate konkrétny stav mincí – hlavy alebo chvosty. Teraz si predstavte, že je to minca, ktorá 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 boli fotóny odoslané cez štrbiny, správali sa ako vlna a na obrazovke vykazovali interferenčný vzor. A keď vedci chceli opraviť (zmerať) moment preletu fotónov cez štrbinu a umiestniť „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 sa majú nachádzať.
Fantázia! Nieje to?
To však nie je všetko. Nakoniec my dostal k najzaujímavejšiemu.
Ale ... zdá sa mi, že dôjde k preťaženiu informácií, takže tieto 2 pojmy zvážime v samostatných príspevkoch:
Chcete, aby sa informácie na poličkách triedili? Pozri sa dokumentárny pripravil Kanadský inštitút pre teoretickú fyziku. V ňom vám za 20 minút, veľmi stručne a v chronologickom poradí, povieme o všetkých objavoch kvantovej fyziky od objavenia Plancka v roku 1900. A potom vám povedia, aký praktický vývoj sa teraz uskutočňuje na základe poznatkov v kvantovej fyzike: od najpresnejších atómové hodiny k super rýchlym výpočtom kvantového počítača. Vrelo odporúčam pozrieť si tento film.
Vidíme sa!
Prajem vám inšpiráciu pre všetky vaše 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 Odoberať blog – formulár na odber pod článkom.
Mnohým ľuďom sa zdá fyzika taká vzdialená a mätúca a kvantová - ešte viac. Ale chcem pre vás odhaliť závoj tohto veľkého tajomstva, pretože v skutočnosti sa všetko ukáže ako zvláštne, ale nerozlúštiteľné.
A kvantová fyzika je tiež skvelým predmetom na rozhovory s inteligentnými ľuďmi.
Najprv si musíte v hlave nakresliť jednu veľkú čiaru medzi mikrokozmom a makrokozmom, pretože tieto svety sú úplne odlišné. Všetko, čo viete o svojom obvyklom priestore a objektoch v ňom, je nepravdivé a v kvantovej fyzike neprijateľné.
V skutočnosti mikročastice nemajú rýchlosť ani polohu, kým sa na ne vedci nepozrú. Toto tvrdenie sa nám zdá jednoducho absurdné, ako sa zdalo Albertovi Einsteinovi, ale aj veľký fyzik ustúpil.
Faktom je, že uskutočnený 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.
Pointa 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 nájsť časticu v ktorejkoľvek z jej možných pozícií presne podľa pravdepodobnostnej stupnice.
Podľa výskumu sa častica hľadala v rôzne miesta, potom ju prestal sledovať a potom znova sledoval, ako sa jej poloha mení. Výsledok bol jednoducho ohromujúci. Stručne povedané, vedci boli skutočne schopní zostaviť škálu pravdepodobností, kde môže byť tá alebo tá častica.
Napríklad neutrón má schopnosť byť v troch polohách. Po vykonaní prieskumu môžete zistiť, že na prvej pozícii bude s pravdepodobnosťou 15%, na druhej - 60%, na tretej - 25%.
Túto teóriu zatiaľ nikto nedokázal vyvrátiť, takže je napodiv tá 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 je na mieste otázka, ako to, že takéto prípady ešte neboli zaznamenané. Pravdepodobnosť je totiž taká malá, že by ľudstvo muselo čakať toľko rokov, koľko sa ešte naša planéta a celý vesmír takejto udalosti nedožil. Ukázalo sa, že je takmer 100% pravdepodobné, že váš telefón bude presne tam, kde ste ho videli.
Odtiaľ sa môžeme dostať ku konceptu kvantového tunelovania. Ide o koncept postupného prechodu jedného objektu (teda veľmi zhruba) na úplne iné miesto bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov.
To znamená, že všetko sa môže začať jedným neutrónom, ktorý v jednom peknom momente spadne do tej veľmi takmer nulovej pravdepodobnosti, že bude na úplne inom mieste, a čím viac neutrónov je na inom mieste, tým vyššia bude 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 Jung nasmeroval lúč svetla na nepriehľadnú obrazovku s dvoma štrbinami. Namiesto očakávaných dvoch pruhov svetla na premietacej ploche videl niekoľko pruhov, ako keby došlo k interferencii (prekrývaniu) dvoch vĺn svetla z každého slotu. V skutočnosti sa práve v tomto momente zrodila kvantová fyzika, alebo skôr otázky pri jej založení. 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 do blízkosti štrbín dáte senzor, ktorý určí, čo presne sa s časticou v tomto mieste stane a ktorou štrbinou ešte prejde, tak sa na premietacej ploche objavia len dva pruhy, ako keby fakt pozorovania (nepriamy vplyv) ničí vlnovú funkciu a objekt sa správa ako hmota. ( video)
Vďaka objavu z roku 1927 tisíce vedcov a študentov opakujú rovnaký jednoduchý experiment vyslaním laserového lúča cez zužujúcu sa štrbinu. logicky, viditeľná stopa z lasera na premietacej ploche sa zužuje a už po zmenšení medzery. Ale v určitom momente, keď sa štrbina dostatočne zúži, sa laserová škvrna zrazu začne rozširovať a rozširovať, naťahovať sa cez obrazovku a stmavovať, až štrbina zmizne. 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 zužujúcou sa štrbinou, tým neistejšia bude hybnosť týchto fotónov. V makrokozme môžeme tiež zmerať buď presné miesto 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 sa obyčajný magnet umiestni na hliník (alebo iný supravodič) a potom sa ochladí tekutým dusíkom, magnet vyletí hore a vznáša sa vo vzduchu, pretože „uvidí“ svoje vlastné magnetické pole rovnakej polarity vytlačené z chladeného hliníka. 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 rozliatie, bez ohľadu na tvar alebo veľkosť nádoby. Koncom 20. a začiatkom 21. storočia sa supratekutosť za určitých podmienok nachádzala aj vo vodíku a rôznych plynoch. (, video)
V roku 1960 Ivor Gayever uskutočnil elektrické experimenty so supravodičmi oddelenými mikroskopickým filmom nevodivého oxidu hlinitého. Ukázalo sa, že na rozdiel od fyziky a logiky časť elektrónov izoláciou predsa len prejde. Tým sa potvrdila teória o možnosti efektu kvantového tunelovania. 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 nobelová cena, poslal dva súčasne vytvorené fotóny do viacsmerných senzorov na určenie ich spinu (polarizácie). Ukázalo sa, že meranie rotácie jedného fotónu okamžite ovplyvňuje polohu rotácie druhého fotónu, ktorá sa stáva opačnou. 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 sa stále ukázala ako okamžitá, akoby boli na rovnakom mieste alebo tam nebol priestor. Predpokladá sa, že ak sa takéto kvantovo zapletené fotóny ocitnú v opačných častiach vesmíru, potom bude interakcia medzi nimi stále okamžitá, hoci svetlo prekoná rovnakú vzdialenosť za desiatky miliárd rokov. Je zvláštne, že podľa Einsteina 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, akou ióny berýlia prechádzajú medzi atómovými úrovňami. Ukázalo sa, že už samotný fakt merania stavu iónov spomalil ich prechod medzi stavmi. Na začiatku XXI storočia bolo možné v podobnom experimente s atómami rubídia dosiahnuť 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. (, Anglické video)
V roku 1999 tím vedcov pod vedením Marlana Scaliho nasmeroval fotóny cez dve štrbiny, za ktorými stál hranol, ktorý premieňa každý odchádzajúci fotón na pár kvantovo zapletených fotónov a rozdeľuje 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 definujúce štrbinu, z ktorej vyletel, potom hlavný detektor zaznamenal jeho spárovaný fotón ako časticu. Ak fotón z druhého smeru dosiahol detektory, ktoré neurčovali štrbinu, z ktorej vyletel, potom hlavný detektor zaznamenal jeho spárovaný fotón ako vlnu. Nielenže sa meranie jedného fotónu odrazilo na jeho kvantovo previazanom páre, ale stalo sa tak aj mimo vzdialenosti a času, pretože sekundárny systém detektorov zaznamenal fotóny neskôr ako hlavný, akoby 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 bežných základov svetonázoru. (, anglické video)
V roku 2010 Aaron O'Connell umiestnil malú kovovú platňu do nepriehľadnej vákuovej komory, ktorú ochladil takmer na absolútnu nulu. Potom dal impulz platni, aby zavibrovala. Snímač polohy však ukázal, že platňa vibrovala a zároveň bola tichá, čo bolo presne v súlade s teoretickou kvantovou fyzikou. Toto ako prvé dokázalo princíp superpozície na makroobjektoch. V izolovaných podmienkach, keď nedochádza k interakcii kvantových systémov, môže byť objekt súčasne v neobmedzenom počte možných pozícií, ako keby už nebol hmotný. (, video)
V roku 2014 Tobias Denkmire a jeho kolegovia rozdelili tok neutrónov na dva lúče a vykonali sériu zložitých meraní. Ukázalo sa, že za určitých okolností môžu byť neutróny v jednom zväzku a ich magnetický moment v inom zväzku. Potvrdil sa tak kvantový paradox úsmevu cheshireskej mačky, keď častice a ich vlastnosti môžu byť podľa nášho vnímania v rôzne časti priestor je ako úsmev na rozdiel od mačky v rozprávke "Alenka v krajine zázrakov". Opäť sa ukázalo, že kvantová fyzika je záhadnejšia a prekvapivejšia ako ktorákoľvek rozprávka! (, video v angličtine.)
Ďakujem za čítanie! Teraz ste sa stali o niečo múdrejšími a náš svet sa vďaka tomu trochu rozjasnil. Zdieľajte odkaz na tento článok so svojimi priateľmi a svet bude ešte lepší!
Keď ľudia počujú slová "kvantová fyzika", ľudia to zvyčajne odmietnu: "Toto je niečo strašne komplikované." Medzitým to absolútne neplatí a na slove „kvantový“ nie je absolútne nič zlé. Je dosť nepochopiteľného, zaujímavého je veľa, ale hrozného nie.
O regáloch, rebríkoch a Ivanovi Ivanovičovi
Všetky procesy, javy a veličiny vo svete okolo nás možno rozdeliť do dvoch skupín: nepretržité (vedecky). kontinuálne ) a nespojité (vedecky diskrétne resp kvantované ).
Predstavte si stôl, na ktorý môžete položiť knihu. Knihu môžete položiť kdekoľvek na stole. Vpravo, vľavo, v strede ... Kdekoľvek chcete - dajte to tam. V tomto prípade fyzici hovoria, že pozícia knihy na stole sa mení. nepretržite .
Teraz si predstavte police s knihami. Knihu môžete položiť na prvú poličku, na druhú, tretiu alebo štvrtú – ale nemôžete ju umiestniť „niekam medzi tretiu a štvrtú“. V tomto prípade sa pozícia knihy zmení. diskontinuálne , 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 táto hodnota? Výška sa plynule mení, môže to byť 135 a pol centimetra a 135 centimetrov a štvrť. Ale číslo školy, v ktorej dievčatá študujú, je kvantovaná hodnota! Povedzme, že Káťa chodí do školy č. 135 a Máša chodí do školy č. 136. Nikto z nich však nemôže chodiť do školy 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 postaviť pešiaka niekde medzi polia alebo postaviť dvoch pešiakov na jedno pole naraz? V skutočnosti môžeme, ale podľa pravidiel nie.
Nepretržitý zostup
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 (mvom čarovného prútika!) zmenila na schodisko. Nepodarí sa z nej skĺznuť na kňaza. Musíte kráčať nohami - najprv jeden krok, potom druhý, potom tretí. Veľkosť (výška), ktorú sme zmenili nepretržite - ale začal sa meniť v krokoch, to znamená diskrétne, kvantované .
Kvantovaný zostup
Skontrolujme to!
1. Sused na dači Ivan Ivanovič išiel do susednej dediny a povedal: "Oddýchnem si niekde po ceste."
2. Sused na dači Ivan Ivanovič odišiel do susednej dediny a povedal: "Pôjdem nejakým autobusom."
Ktorú z týchto dvoch situácií ("systémov") možno považovať za spojitú a ktorú - kvantovanú?
odpoveď:
V prvom prípade Ivan Ivanovič kráča a môže sa zastaviť na odpočinok v akomkoľvek bode. To znamená, že tento systém je nepretržitý.
V druhom môže Ivan Ivanovič nastúpiť do autobusu, ktorý prišiel na zastávku. Môžete preskočiť a počkať na ďalší autobus. Nebude však môcť sedieť „niekde medzi“ autobusmi. To znamená, že tento systém je kvantovaný!
Za všetko môže astronómia
Starí Gréci si boli dobre vedomí existencie spojitých (spojitých) a nespojitých (kvantovaných, nespojitých, diskrétnych) veličín. Archimedes vo svojej knihe Psammit (The Calculus of Grains of Sand) dokonca urobil prvý pokus o vytvorenie matematického vzťahu medzi spojitými a kvantovanými veličinami. V tom čase však neexistovala žiadna kvantová fyzika.
Až do začiatku 20. storočia neexistoval! Takí veľkí fyzici ako Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung alebo Maxwell nikdy nepočuli o žiadnej kvantovej fyzike a dobre sa im zaobišlo aj bez nej. Môžete sa opýtať: prečo potom vedci prišli s kvantovou fyzikou? Čo je na fyzike také zvláštne? Predstavte si, čo sa stalo. Len nie vo fyzike, ale v astronómii!
Tajomný satelit
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 „kolíše“ 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. Aby ste premenili pohyb v priamom smere na pohyb pozdĺž sínusoidy, potrebujete nejakú „rušivú silu“. 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 nemôžeme vidieť tento satelit zo Zeme? Sirius sa nachádza z slnečná sústava neďaleko - asi dva a pol parseku a objekt veľkosti Slnka by mal byť dobre viditeľný ...
Ukázalo sa, že je to náročná úloha. Niektorí vedci uviedli, že tento satelit je studená, chladená hviezda - preto je absolútne 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 na Siriusa pozerali cez teleskopy a pokúšali sa „chytiť“ záhadný neviditeľný satelit a on sa im zdalo, že sa im posmieva. Vieš, bolo čo prekvapiť...
Potrebujeme zázračný ďalekohľad!
V takomto ďalekohľade ľudia prvýkrát videli satelit Sirius
V polovici 19. storočia žil a pracoval v Spojených štátoch vynikajúci konštruktér ďalekohľadov Alvin Clarke. Prvým povolaním bol výtvarník, no náhodou sa z neho stal prvotriedny inžinier, sklár a astronóm. Až doteraz nikto neprekonal jeho ohromujúce šošovkové teleskopy! Jednu zo šošoviek od Alvina Clarkea (priemer 76 centimetrov) možno vidieť v Petrohrade, v Múzeu observatória Pulkovo ...
Sme však rozptýlení. V roku 1867 teda Alvin Clark zostrojil nový ďalekohľad – s šošovkou s priemerom 47 centimetrov; bol v tom čase najväčší ďalekohľad v USA. Práve záhadný Sirius bol počas testov vybraný ako prvý nebeský objekt na pozorovanie. 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 však astronómovia neboli dlho šťastní. Podľa výpočtov by totiž mala byť hmotnosť satelitu 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 zeme(neskôr sa takéto hviezdy nazývali „bieli trpaslíci“). Ukázalo sa, že táto hviezda má úplne nepredstaviteľnú hustotu. Z akej látky sa teda skladá?!
Na Zemi poznáme materiály s vysokou hustotou – povedzme olovo (kocka so stranou centimetra vyrobená z tohto kovu váži 11,3 gramu) alebo zlato (19,3 gramu na centimeter kubický). Hustota substancie satelitu Sirius (nazývala sa „Sirius B“) je milión (!!!) gramov na kubický centimeter - je 52-tisíckrát ťažší ako zlato!
Vezmite si napríklad obyčajnú zápalkovú škatuľku. Jeho objem je 28 kubických centimetrov. To znamená, že zápalková škatuľka naplnená látkou zo satelitu Sirius bude vážiť ... 28 ton! Skúste si predstaviť - na jednej miske váh je zápalková škatuľka a na druhej nádrž!
Bol tu ďalší problém. Vo fyzike existuje zákon nazývaný Charlesov zákon. Tvrdí, že v rovnakom objeme je tlak látky tým vyšší, čím vyššia je teplota tejto látky. Spomeňte si, ako tlak horúcej pary odtrhne pokrievku z varnej kanvice – a hneď pochopíte, o čo ide. Takže teplota substancie satelitu Sirius porušila práve tento Charlesov zákon tým najnehanebnejším spôsobom! Tlak bol nepredstaviteľný a teplota relatívne nízka. Výsledkom boli „nesprávne“ fyzikálne zákony a vo všeobecnosti „nesprávna“ fyzika. Ako Macko Pú – „nesprávne včely a nesprávny med“.
Točí sa mi hlava ...
Aby sa fyzika „zachránila“, museli vedci na začiatku 20. storočia priznať, že na svete sú DVAJA fyzici naraz – jeden „klasický“, známy už dvetisíc rokov. A druhý je nezvyčajný, kvantový ... Vedci naznačili, 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 (upraviť) - napríklad obežnú dráhu International 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, podobne ako satelity, sa točia elektróny - nemôže ich však byť toľko, koľko chcete (povedzme, že atóm hélia nemá viac ako dva). A dráhy elektrónov už nebudú ľubovoľné, ale kvantované, „postupne“. Takéto dráhy fyziky sa tiež nazývajú „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 objavil „tu“. Nemôže byť niekde medzi „tam“ a „tu“. Okamžite zmení polohu.
Podivuhodný? Podivuhodný! 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 „Pauli ban“ (prečo tento „zákaz“ funguje, dodnes nevedia vysvetliť). Najviac zo všetkého tento „zákaz“ pripomína šachovnicu, ktorú sme uviedli ako príklad kvantového systému – ak je na poli šachovnice pešiak, nemôžete na toto pole položiť ďalšieho pešiaka. Presne to isté sa deje s elektrónmi!
Riešenie problému
Pýtate sa, ako to kvantová fyzika vysvetľuje? nezvyčajné javy ako porušenie Charlesovho zákona v Sirius B? Ale ako.
Predstavte si mestský park, ktorý má tanečný parket. Veľa ľudí chodí po ulici, chodia tancovať na parket. Nech počet ľudí na ulici predstavuje tlak a počet ľudí na diskotéke - teplotu. Na tanečný parket môže vstúpiť obrovské množstvo ľudí 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 takúto látku „ideálny plyn“.
Ľudia na tanečnom parkete – „dokonalý plyn“
Na mikroskopickej úrovni však zákony klasickej fyziky nefungujú. Začínajú tam fungovať kvantové zákony a to radikálne mení situáciu.
Predstavme si, že na mieste tanečného parketu v parku bola otvorená kaviareň. V čom je rozdiel? Áno, to, že do kaviarne na rozdiel od diskotéky „toľko“ ľudí nevstúpi. Len čo 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 – a v kaviarni, koľko ľudí bolo, toľko zostalo. 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 a kaviarne. Princíp ale zostáva rovnaký: elektróny zaplnia všetky povolené energetické hladiny (ako návštevníci – stoly v kaviarni) a ďalej nikoho pustiť nemôžu – presne podľa Pauliho zákazu. Výsledkom je, že vo vnútri hviezdy sa získa nepredstaviteľne obrovský tlak, ale teplota je vysoká, ale pre hviezdy celkom bežná. Takáto látka sa vo fyzike nazýva „degenerovaný kvantový plyn“.
Ideme pokračovať? ..
Abnormálne vysoká hustota bielych trpaslíkov nie je ani zďaleka jediným javom vo fyzike, ktorý si vyžaduje použitie kvantových zákonov. Ak vás táto téma zaujala, v ďalších číslach „Ray“ sa môžeme porozprávať o iných, nemenej zaujímavých, kvantových javoch. Napíšte! Zatiaľ si pripomeňme to hlavné:
1. V našom svete (Vesmíre) na makroskopickej (teda „veľkej“) úrovni fungujú zákony klasickej fyziky. Opisujú vlastnosti bežných kvapalín a plynov, pohyb hviezd a planét a mnoho iného. Práve túto fyziku 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 o nich neštuduje. Avšak iba kvantová fyzika umožňuje pomerne jasné vysvetlenie štruktúry takýchto úžasných vesmírne objekty ako bieli trpaslíci (ako Sirius B), neutrónové hviezdy, čierne diery atď.
