Returnarea unei mașini în garanție sau fizică cuantică pentru manechini.

Să presupunem că este anul 3006. Te duci la „conectat” și cumperi o mașină a timpului chinezească de buget în rate pentru 600 de ani. Vrei să te strecori cu o săptămână înainte pentru a învinge biroul casei de pariuri. În așteptarea unui jackpot mare, introduci frenetic data sosirii pe o cutie de plastic albastră...

Și iată râsul: convertorul Nikadim-chronon se arde în el. Mașina, scoțând un scârțâit de moarte, te aruncă în anul 62342. Omenirea a fost împărțită în aglomerate și aglomerate și împrăștiată în galaxii îndepărtate. Soarele este vândut extratereștrilor, Pământul este condus de viermi giganți de siliciu radioactiv. Atmosfera este un amestec de fluor și clor. Temperatura este de minus 180 de grade. Pământul s-a erodat și tu, în plus, cazi pe o stâncă de cristale de fluorit de la cincisprezece metri distanță. La ultima expirare, îți exerciți dreptul civil galactic de a efectua un apel intertemporal la brelocul tău. Sunați la centrul de asistență tehnică „conectat”, unde un robot politicos vă informează că garanția pentru mașina timpului este de 100 de ani și la timpul lor este complet utilă, iar în 62342 ați primit o sumă impronunciabilă de milioane de bănuți de vorbirea umană. mecanism pentru o plată niciodată plătită în rate.

Binecuvântează și salvează! Doamne, mulțumesc că trăim în acest trecut stăruitor, în care astfel de oportunități sunt imposibile!
…Deși, nu! Doar majoritatea celor mari descoperiri științifice nu da rezultate atât de epice pe cât le par diverșilor scriitori de science fiction.

Laserele nu ard orașele și planetele - înregistrează și transmit informații, îi distrează pe școlari. Nanotehnologia nu transformă universul într-o hoardă de nanoboți care se auto-replica. Acestea fac haina de ploaie mai rezistentă la apă și betonul mai durabil. Bombă atomică, aruncat în aer în mare nu a început niciodată o reacție în lanț de fuziune termonucleară a nucleelor ​​de hidrogen și ne-a transformat într-un alt soare. Ciocnitorul de hadron nu a transformat planeta pe dos și a târât întreaga lume într-o gaură neagră. Inteligența artificială a fost deja creată, dar își bate joc de ideea de a distruge umanitatea.
Mașina timpului nu face excepție. Cert este că a fost creat la mijlocul secolului trecut. Nu a fost construit ca un scop în sine, ci doar ca un instrument pentru crearea unui dispozitiv mic, nedescriptiv, dar foarte remarcabil.

La un moment dat, profesorul Dmitri Nikolaevich Grachev a fost foarte nedumerit de problema creării mijloace eficiente protectie impotriva emisiilor radio. Sarcina la prima vedere părea imposibilă - dispozitivul pentru fiecare undă radio trebuia să-și dea propriile sale ca răspuns la aceeași undă și, în același timp, să nu fie legat în niciun fel de sursa semnalului (din moment ce este inamic). Dmitri Nikolaevici i-a urmărit odată pe copii jucându-se cu „bouncer” în curte. Jocul este câștigat de cel mai agil, care evită mingea cel mai eficient. Acest lucru necesită coordonare și, cel mai important, capacitatea de a prezice traiectoria mingii.

Capacitatea de a prezice este determinată de resursa de calcul. Dar în cazul nostru, creșterea resurselor de calcul nu va duce la nimic. Chiar și cele mai moderne supercalculatoare nu vor avea suficientă viteză și precizie pentru asta. Era vorba despre predicția unui proces spontan cu viteza unui semiciclu al unui cuptor cu microunde - undă radio.

Profesorul a luat mingea care zburase în tufișuri și le-a aruncat înapoi copiilor. De ce să prezicem unde merge mingea când a sosit deja? S-a găsit calea de ieșire: caracteristicile semnalului radio de intrare necunoscut sunt bine cunoscute în viitorul apropiat și pur și simplu nu este nevoie să le calculați. Este suficient să le măsurați direct acolo. Dar aici este problema - este imposibil să te miști în timp chiar și pentru o nanosecundă. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost necesar pentru sarcina în cauză. Este necesar doar ca elementul sensibil al dispozitivului - tranzistorul - să fie în viitorul apropiat, cel puțin parțial. Și aici a venit în ajutor fenomenul recent descoperit de suprapunere cuantică. Sensul său este că aceeași particulă poate fi în locuri și momente diferite în același timp.

Drept urmare, profesorul Grachev a creat o capcană electronică cuantică orientată spre masă - o mașină în timp real, în care a fost creat pentru prima dată un cip semiconductor, ai cărui electroni se află în viitor și, în același timp, în prezent. Prototipul aceluiași TMA - un cip care controlează rezonatorul Grachev. Ai putea spune că acest lucru va fi întotdeauna un picior în viitor.

Aici am avut o conversație zile întregi pe această temă ștergere cuantică de alegere întârziată, nici măcar o discuție, cât o explicație răbdătoare a elementelor fundamentale ale fizicii cuantice de către minunatul meu prieten dr_tambowsky. Din moment ce nu predam bine fizica la școală, iar la bătrânețe eram desenat, o absorb ca pe un burete. Am decis să adun explicații într-un singur loc, poate altcineva.

Pentru început, recomand să vizionați un desen animat pentru copii despre interferență și să acordați atenție „ochiului”. Pentru că, de fapt, este toată problema.

Apoi poți începe să citești textul de la dr_tambowsky, pe care îl dau mai jos integral, sau, cine este deștept și priceput, îl poate citi imediat. Și mai bine decât amândouă.

Ce este interferența.
Există într-adevăr o mulțime de tot felul de termeni și concepte și sunt foarte confuzi. Să mergem în ordine. În primul rând, există interferențe ca atare. Există multe exemple de interferență și există o mulțime de interferometre diferite. Un experiment special care este constant influențat și adesea folosit în această știință a ștergerii (în principal pentru că este simplu și convenabil) este două fante tăiate una lângă alta, paralele una cu cealaltă, într-un ecran opac. Pentru început, să strălucim o astfel de fantă dublă. Lumina este un val, nu? Și observăm interferența luminii tot timpul. Aveți încredere că, dacă luminați aceste două fante și puneți un ecran (sau doar un perete) pe cealaltă parte, atunci pe acest al doilea ecran vom vedea, de asemenea, un model de interferență - în loc de două puncte strălucitoare de lumină „trecând prin fante” pe al doilea ecran (perete) va exista un gard de dungi luminoase și întunecate alternativ. Observăm încă o dată că aceasta este o proprietate pur val: dacă aruncăm cu pietre, atunci cei care cad în fante vor continua să zboare drept și se vor lovi fiecare de peretele din spatele propriului slot, adică vom vedea două grămezi independente de pietre (dacă se lipesc de perete, bineînțeles 🙂), fără interferențe.

Mai mult, țineți minte, la școală au predat despre „dualismul particule-undă”? Că atunci când totul este foarte mic și foarte cuantic, atunci obiectele sunt atât particule, cât și unde în același timp? Într-unul dintre experimentele celebre (experimentul Stern-Gerlach) din anii 20 ai secolului trecut, au folosit aceeași configurație ca cea descrisă mai sus, dar în loc de lumină au strălucit cu... electroni. Ei bine, adică electronii sunt particule, nu? Adică, dacă sunt „aruncate” pe o fantă dublă, ca niște pietricele, atunci pe peretele din spatele fantelor vom vedea ce? Răspunsul nu este două puncte separate, ci din nou un model de interferență!! Adică, electronii pot interfera și ei.

Pe de altă parte, se dovedește că lumina nu este tocmai o undă, ci un pic și o particulă - un foton. Adică acum suntem atât de deștepți încât înțelegem că cele două experimente descrise mai sus sunt același lucru. Aruncăm particule (cuantice) în sloturi, iar particulele de pe aceste sloturi interferează - dungi alternative sunt vizibile pe perete („vizibile” - în sensul modului în care înregistrăm fotoni sau electroni acolo, ochii înșiși nu sunt necesari pentru aceasta 🙂).

Acum, înarmați cu această imagine universală, să punem următoarea întrebare, mai subtilă (atenție, foarte important!!):
Când ne strălucim fotonii/electronii/particulele pe fante, vedem modelul de interferență din cealaltă parte. Minunat. Dar ce se întâmplă cu un singur foton/electron/pi-mezon? [și de acum înainte, să vorbim – doar pentru comoditate – doar despre fotoni]. La urma urmei, această opțiune este posibilă: fiecare foton zboară ca o pietricică prin propriul slot, adică are o traiectorie bine definită. Acest foton zboară prin fanta din stânga. Și ăla de acolo din dreapta. Când acești fotoni-pietricele, după ce și-au urmat traiectoriile specifice, ajung la peretele din spatele fantelor, ei interacționează cumva unul cu celălalt și, ca urmare a acestei interacțiuni, un model de interferență apare deja pe peretele însuși. Până acum, nimic din experimentele noastre nu contrazice această interpretare - la urma urmei, când strălucim o lumină puternică pe fantă, trimitem mulți fotoni deodată. Câinele știe ce fac acolo.

Avem un răspuns la această întrebare importantă. Putem arunca câte un foton odată. Au renunțat. Am așteptat. A scăpat pe următorul. Ne uităm atent la perete și observăm unde ajung acești fotoni. Un singur foton, desigur, nu poate crea un model de interferență observabil în principiu - este unul și atunci când îl înregistrăm, îl putem vedea doar într-un anumit loc și nu peste tot deodată. Cu toate acestea, să revenim la analogia cu pietricelele. Iată o pietricică. A lovit peretele din spatele unei fante (cel prin care a zburat, desigur). Iată un altul - bătut din nou în spatele slotului. stăm. Consideram. După ceva timp și aruncând destule pietricele, vom câștiga distribuție - vom vedea că o mulțime de pietricele se lovesc de peretele din spatele unei fante și foarte multe în spatele celuilalt. Și nicăieri altundeva. Facem același lucru cu fotonii - îi aruncăm pe rând și numărăm încet câți fotoni au zburat în fiecare loc de pe perete. Înnebunim încet, deoarece distribuția rezultată a frecvențelor de impact fotonilor nu este deloc în două puncte sub sloturile corespunzătoare. Această distribuție repetă exact modelul de interferență pe care l-am văzut când am strălucit cu lumină puternică. Dar fotonii soseau pe rând! Unul este azi. Următorul este mâine. Nu puteau interacționa între ei pe perete. Adică, în deplină concordanță cu mecanica cuantică, un foton separat este simultan o undă și nimic nu îi este străin. Fotonul din experimentul nostru nu are o traiectorie specifică - fiecare foton individual trece prin ambele fante simultan și, așa cum ar fi, interferează cu el însuși. Putem repeta experimentul, lăsând doar o fantă deschisă - atunci fotonii se vor grupa desigur în spatele lui. Să-l închidem pe primul, să îl deschidem pe al doilea, aruncând în continuare fotoni pe rând. Se grupează, desigur, sub cel de-al doilea slot deschis. Le deschidem pe amândouă - distribuția rezultată a locurilor în care fotonii le place să se grupeze nu este suma distribuțiilor obținute atunci când doar o fante a fost deschisă. Acum sunt încă grupate între crăpături. Mai exact, locurile lor preferate pentru grupare sunt acum dungi alternante. În acesta, se adună, în următorul, nu, iar, da, întuneric, lumină. Ah, interferență...

Ce este suprapunerea și spinul.
Asa de. Vom presupune că înțelegem totul despre interferență ca atare. Să aruncăm o privire la suprapunere. Nu știu ce faci cu mecanica cuantică, îmi pare rău. Dacă este rău, atunci trebuie să iei multă credință, este greu de explicat pe scurt.

Dar, în principiu, eram deja undeva în apropiere - când am văzut că un foton individual zboară, parcă, prin două fante deodată. Se poate spune simplu: un foton nu are traiectorie, o undă și o undă. Și putem spune că un foton zboară simultan de-a lungul a două traiectorii (strict vorbind, nici măcar două, desigur, dar toate deodată). Aceasta este o afirmație echivalentă. În principiu, dacă vom urma această cale până la capăt, atunci vom ajunge la „integrala căii” - formularea mecanicii cuantice a lui Feynman. Această formulare este incredibil de elegantă și la fel de complexă, este dificil să o folosești în practică, mai ales să o folosești pentru a explica elementele de bază. Prin urmare, nu vom merge până la capăt, ci mai degrabă vom medita asupra unui foton care zboară „de-a lungul a două traiectorii deodată”. În sensul conceptelor clasice (iar traiectoria este un concept clasic bine definit, fie o piatră zboară frontal, fie trecut), un foton se află în stări diferite în același timp. Încă o dată, traiectoria nici măcar nu este exact ceea ce avem nevoie, scopurile noastre sunt mai simple, sun doar să realizez și să simțim faptul.

Mecanica cuantică ne spune că această situație este regula, nu excepția. Orice particulă cuantică poate fi (și de obicei se află) în „mai multe stări” simultan. De fapt, această afirmație nu trebuie luată prea în serios. Aceste „stări multiple” sunt de fapt intuiția noastră clasică. Definim diferite „stări” pe baza unora dintre propriile noastre considerații (externe și clasice). O particulă cuantică trăiește conform propriilor legi. Ea are o stare. Punct. Tot ceea ce înseamnă afirmația despre „suprapunere” este că această stare poate fi foarte diferită de reprezentările noastre clasice. Introducem noțiunea clasică de traiectorie și o aplicăm unui foton în starea în care îi place să fie. Și fotonul spune - „îmi pare rău, starea mea preferată este că, în raport cu aceste traiectorii tale, sunt pe ambele deodată!”. Aceasta nu înseamnă că un foton nu poate fi deloc într-o stare în care traiectoria este (mai mult sau mai puțin) determinată. Să închidem una dintre fante - și putem, într-o oarecare măsură, să spunem că fotonul zboară prin al doilea pe o anumită traiectorie, pe care o înțelegem bine. Adică un astfel de stat există în principiu. Să le deschidem pe amândouă - fotonul preferă să fie în suprapunere.

Același lucru este valabil și pentru alți parametri. De exemplu, propriul moment unghiular sau spin. Îți amintești de doi electroni care pot sta împreună în același orbital s - dacă au și spini opuși? Doar asta este. Și fotonul are și un spin. Spinul fotonului este bun pentru că la clasici corespunde de fapt polarizării undei luminoase. Adică, folosind tot felul de polarizatoare și alte cristale pe care le avem, putem manipula spinul (polarizarea) fotonilor individuali dacă îi avem (și vor avea).

Deci, înapoi. Electronul are un spin (în speranța că orbitalii și electronii vă sunt mai dragi decât fotonii, deci totul este la fel), dar electronul este absolut indiferent în ce „stare de spin” este. Rotirea este un vector și putem încerca să spunem „învârtirea se uită în sus”. Sau „rotirea se uită în jos” (față de o direcție pe care am ales-o). Și electronul ne spune: „Nu mi-a păsat de tine, pot fi pe ambele traiectorii în ambele stări de spin simultan.” Din nou, este foarte important că nu mulți electroni sunt în stări diferite de spin, într-un ansamblu, unul se uită în sus, celălalt în jos și fiecare electron individual este în ambele stări simultan. La fel cum nu diferiți electroni trec prin diferite fante, ci un electron (sau foton) trece prin ambele fante deodată. Un electron poate fi într-o stare cu o anumită direcție de spin, dacă chiar îl întrebi, dar nu o va face singur. Semi-calitativ, situaţia poate fi descrisă astfel: 1) există două stări, |+1> (spin up) şi |-1> (spin down); 2) în principiu, acestea sunt stări cușer în care poate exista un electron; 3) totuși, dacă nu se fac eforturi speciale, electronul se va „unta” peste ambele stări și starea sa va fi ceva de genul |+1> + |-1>, o stare în care electronul nu are o anumită direcție de spin. (la fel ca și traiectoria 1+ traiectoria 2, nu?). Aceasta este „suprapunerea statelor”.

Despre prăbușirea funcției de undă.
Mai avem foarte puțin - să înțelegem care sunt măsurarea și „colapsul funcției de undă”. Funcția de undă este ceea ce am scris mai sus, |+1> + |-1>. Doar o descriere a statului. Pentru simplitate, putem vorbi despre statul în sine, ca atare, și despre „prăbușirea” acestuia, nu contează. Iată ce se întâmplă: un electron zboară spre el însuși într-o stare de spirit atât de nedefinită, indiferent dacă este în sus, sau în jos, sau ambele simultan. Aici alergăm cu un dispozitiv cu aspect înspăimântător și haideți să măsurăm direcția de rotire. În acest caz particular, este suficient să puneți un electron într-un câmp magnetic: acei electroni al căror spin privește de-a lungul direcției câmpului ar trebui să devieze într-o direcție, cei al căror spin este opus câmpului ar trebui să devieze în cealaltă. Ne așezăm de cealaltă parte și ne frecăm mâinile - vedem în ce direcție a deviat electronul și știm imediat dacă spinul său privește în sus sau în jos. Fotonii pot fi introduși într-un filtru de polarizare - dacă polarizarea (spin) este +1 - fotonul trece, dacă -1, atunci nu.

Dar scuzați-mă - la urma urmei, electronul nu avea o anumită direcție de spin înainte de măsurare? Asta e toată ideea. Nu a existat una definită, dar a fost, așa cum ar fi, „amestecat” din două stări deodată și în fiecare dintre aceste stări exista o direcție foarte directă. În procesul de măsurare, forțăm electronul să decidă cine să fie și unde să se uite - în sus sau în jos. În situația de mai sus, desigur, în principiu, nu putem prezice în avans ce decizie va lua un anumit electron atunci când zboară într-un câmp magnetic. Cu o probabilitate de 50%, el poate decide „sus”, cu aceeași probabilitate - „jos”. Dar de îndată ce decide acest lucru, se află într-o stare cu o anumită direcție de rotire. Ca urmare a „măsurătoarei” noastre! Acesta este „colapsul” - înainte de măsurare, funcția de undă (scuze, stare) era |+1> + |-1>. După ce am „măsurat” și am văzut că electronul deviază într-o anumită direcție, a fost determinată direcția de spin și funcția sa de undă a devenit pur și simplu |+1> (sau |-1> dacă a deviat în altă direcție). Adică statul „s-a prăbușit” într-una din componentele sale; Nu mai există „amestecare” celei de-a doua componente!

O mare parte din filozofarea goală din intrarea originală a fost dedicată acestui lucru și nu-mi place sfârșitul desenului animat pentru asta. Un ochi este pur și simplu atras acolo și un privitor neexperimentat poate avea în primul rând iluzia unei anumite antropocentrități a procesului (se spune că este nevoie de un observator pentru a efectua o „măsurare”) și, în al doilea rând, neinvazivitatea acestuia (ei bine, noi doar caut!). Opiniile mele despre acest subiect au fost prezentate mai sus. În primul rând, un „observator” ca atare nu este necesar, desigur. Este suficient să aducem un sistem cuantic în contact cu un sistem mare, clasic, și totul se va întâmpla de la sine (electronii vor zbura într-un câmp magnetic și vor decide cine vor fi, indiferent dacă stăm de cealaltă parte și observăm sau nu). În al doilea rând, o măsurare clasică neinvazivă a unei particule cuantice este imposibilă în principiu. A desena un ochi este ușor, dar ce înseamnă „să te uiți la un foton și să afli unde a zburat”? Pentru a vedea, trebuie să introduceți fotoni în ochi, de preferință mulți. Cum ne putem aranja astfel încât mulți fotoni să sosească și să ne spună totul despre starea unui foton nefericit, starea de care suntem interesați? Îi luminezi o lanternă? Și ce va mai rămâne din el după aceea? Este clar că vom avea o influență foarte puternică asupra stării lui, poate în așa măsură încât nici nu va dori să urce într-unul dintre sloturi. Nu este chiar atât de interesant. Dar în sfârșit am ajuns la partea interesantă.

Despre paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen și perechile coerente (încurcate) de fotoni
Acum știm despre suprapunerea stărilor, dar până acum am vorbit doar despre o singură particulă. Exclusiv pentru simplitate. Dar totuși, ce se întâmplă dacă avem două particule? Este posibil să se pregătească o pereche de particule într-o stare destul de cuantică, astfel încât starea lor comună să fie descrisă de o singură funcție de undă comună. Acest lucru, desigur, nu este ușor - doi fotoni arbitrari din camere învecinate sau electroni din eprubete învecinate nu știu unul despre celălalt, așa că pot și ar trebui descriși complet independent. Prin urmare, este doar posibil să se calculeze energia de legare a, să zicem, un electron per un proton într-un atom de hidrogen, fără a fi deloc interesat de alți electroni de pe Marte sau chiar de atomii vecini. Dar dacă depuneți un efort deosebit, atunci o stare cuantică care acoperă două particule poate fi creată simultan. Aceasta va fi numită „starea coerentă”, în raport cu perechile de particule și tot felul de ștergeri cuantice și computere, aceasta se mai numește și starea încurcată.

Mergem mai departe. Putem ști (datorită limitărilor impuse de procesul de pregătire a acestei stări coerente) că, să zicem, spinul total al sistemului nostru cu două particule este zero. E în regulă, știm că spinurile a doi electroni din orbitalul s trebuie să fie antiparalele, adică spinul total este zero, iar asta nu ne sperie deloc, nu? Ceea ce nu știm este unde este îndreptată spinul unei anumite particule. Știm doar că oriunde se uită, învârtirea celui de-al doilea trebuie să privească în cealaltă direcție. Adică, dacă notăm cele două particule ale noastre (A) și (B), atunci starea poate fi, în principiu, după cum urmează: |+1(A), -1(B)> (A se uită în sus, B se uită în jos). ). Acesta este un stat permis, nu încalcă restricțiile impuse. O altă posibilitate este |-1(A), +1(B)> (divers, A în jos, B în sus). De asemenea, o posibilă stare. Nu vă amintește de stările pe care le-am notat puțin mai devreme pentru spin-ul unui singur electron? Pentru că sistemul nostru cu două particule, atâta timp cât este cuantic și coerent, poate (și va fi) în suprapunerea stărilor |+1(A) exact în același mod; -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Adică, ambele posibilități sunt implementate simultan. Ca ambele traiectorii ale unui foton sau ambele direcții ale spinului unui electron.

Este mult mai interesant să măsori un astfel de sistem decât un singur foton. Într-adevăr, să presupunem că măsurăm spin-ul unei singure particule, A. Am înțeles deja că măsurarea este un stres sever pentru o particulă cuantică, starea acesteia se va schimba foarte mult în timpul procesului de măsurare, va avea loc un colaps... Totul este adevărat , dar - în acest caz, există mai mult a doua particulă, B, care este strâns legată de A, au o funcție de undă comună! Să presupunem că măsurăm direcția spin A și vedem că este +1. Dar A nu are propria sa funcție de undă (sau cu alte cuvinte, propria sa stare independentă) pentru a se prăbuși la |+1>. Tot ceea ce are A este starea „încurcat” (încurcat) cu B, scrisă mai sus. Dacă măsurarea A dă +1 și știm că spinurile lui A și B sunt antiparalele, știm că spinul lui B este îndreptat în jos (-1). Funcția de undă a perechii se prăbușește la orice poate, sau poate doar la |+1(A); -1(B)>. Funcția de undă scrisă nu ne oferă alte posibilități.

Până acum nimic? Crezi că o rotire completă este salvată? Acum imaginați-vă că am creat o astfel de pereche A, B și lăsăm aceste două particule să se împrăștie în direcții diferite, rămânând coerente. Unul (A) a zburat spre Mercur. Iar celălalt (B), să zicem, lui Jupiter. Chiar în acest moment, ne-am întâmplat pe Mercur și am măsurat direcția spin A. Ce sa întâmplat? Chiar în acel moment, știam direcția spin-ului B și am schimbat funcția de undă a lui B! Vă rugăm să rețineți că acest lucru nu este deloc același ca în clasici. Lăsați două pietre zburătoare să se rotească în jurul axei lor și spuneți-ne sigur că se rotesc în direcții opuse. Dacă măsurăm direcția de rotație a unuia când ajunge la Mercur, vom ști și direcția de rotație a celui de-al doilea, oriunde s-ar afla în acel moment, chiar și pe Jupiter. Dar aceste pietre s-au rotit întotdeauna într-o anumită direcție, înainte de oricare dintre măsurătorile noastre. Și dacă cineva măsoară o piatră care zboară spre Jupiter, atunci el (a) va primi același răspuns și destul de cert, indiferent dacă am măsurat ceva pe Mercur sau nu. Cu fotonii noștri, situația este complet diferită. Niciunul dintre ei nu avea deloc o direcție de rotație definită înainte de măsurare. Dacă cineva, fără participarea noastră, ar decide să măsoare direcția spinului B undeva în regiunea lui Marte, ce ar obține? Așa e, cu șanse de 50% să vadă +1, cu șanse de 50% -1. B are o astfel de stare, o suprapunere. Dacă acel cineva decide să măsoare spin B imediat după ce am măsurat deja spin A, am văzut +1 și am provocat colapsul *întregii* funcție de undă,
atunci va primi ca urmare a masurarii doar -1, cu o probabilitate de 100%! Abia în momentul măsurării noastre, A a decis în cele din urmă cine ar trebui să fie și „alege” direcția de rotație - iar această alegere a afectat instantaneu * întreaga * funcție de undă și starea lui B, care în acel moment este deja în Dumnezeu. stie unde.

Această problemă este numită „nonlocalitatea mecanicii cuantice”. Cunoscut și ca paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen (paradoxul EPR) și, în general, ceea ce se întâmplă în ștergere este legat de acesta. Poate că am înțeles greșit ceva, desigur, dar pentru gustul meu ștergerea este interesantă pentru că este doar o demonstrație experimentală a nonlocalității.

Simplificat, experimentul de ștergere ar putea arăta astfel: creați perechi coerente (încurcate) de fotoni. Pe rând: un cuplu, apoi altul și așa mai departe. În fiecare pereche, un foton (A) zboară într-o direcție, celălalt (B) în cealaltă. Toate așa cum am discutat deja puțin mai sus. Pe traseul fotonului B punem o fantă dublă și vedem ce apare pe peretele din spatele acestei fante. Apare un model de interferență, pentru că fiecare foton B, după cum știm, zboară de-a lungul ambelor traiectorii, prin ambele sloturi deodată (ne amintim încă interferența cu care am început această poveste, nu?). Faptul că B este încă înrudit coerent cu A și are o funcție de undă în comun cu A este destul de violet pentru el. Complicam experimentul: acoperim un slot cu un filtru care permite trecerea doar fotonilor cu un spin de +1. Pe al doilea îl acoperim cu un filtru care trece doar fotoni cu spin (polarizare) -1. Continuăm să ne bucurăm de modelul de interferență, deoarece în starea generală a perechii A, B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, așa cum am amintiți-vă), există stări B cu ambele rotiri. Adică, „partea” B poate trece printr-un filtru / slot, o parte - printr-un altul. La fel ca și înainte, o „parte” a zburat de-a lungul unei traiectorii, cealaltă de-a lungul alteia (aceasta, desigur, este o figură de stil, dar adevărul rămâne).

În sfârșit, punctul culminant: undeva pe Mercur, sau puțin mai aproape, la celălalt capăt al mesei optice, punem un filtru polarizant în calea fotonilor A și un detector în spatele filtrului. Lăsați, pentru certitudine, acest nou filtru trece doar fotonii cu spin +1. De fiecare dată când detectorul se declanșează, știm că fotonul A a trecut cu spin +1 (spin -1 nu va trece). Dar asta înseamnă că funcția de undă a întregii perechi s-a prăbușit și „fratele” fotonului nostru, fotonul B, are în acest moment o singură stare posibilă -1. Tot. Fotonul B „nu are nimic” prin care să se târască acum, slotul este acoperit cu un filtru care permite trecerea doar polarizării +1. Pur și simplu nu avea acea parte. Este foarte ușor să „recunoașteți” acest foton B. Ne asociem unul câte unul. Când înregistrăm fotonul A care trece prin filtru, înregistrăm ora la care a ajuns. Unu și jumătate, de exemplu. Asta înseamnă că și „fratele” lui B va zbura spre perete la două și jumătate. Ei bine, sau la 1:36, dacă zboară puțin mai departe și, prin urmare, mai mult. Acolo înregistrăm și timpi, adică putem compara cine este cine și cine este relativ la cine.

Deci, dacă ne uităm acum la ce imagine apare pe perete, nu vom găsi nicio interferență. Fotonul B din fiecare pereche trece fie printr-o fantă, fie prin cealaltă. Sunt două pete pe perete. Acum, scoateți filtrul din calea fotonilor A. Modelul de interferență este restabilit.

… și în sfârșit despre alegerea întârziată
Situația devine destul de neplăcută când fotonul A durează mai mult pentru a zbura către filtrul/detectorul său decât fotonul B se deplasează către fante. Efectuăm măsurarea (și facem ca A să rezolve și funcția de undă să se prăbușească) după ce B ar fi trebuit să lovească deja peretele și să creeze modelul de interferență. Totuși, atâta timp cât măsurăm A, chiar „mai târziu decât ar trebui”, modelul de interferență pentru fotonii B încă dispare. Scoatem filtrul pentru A - este restaurat. Aceasta este deja ștergere întârziată. Nu pot spune că înțeleg bine cu ce se mănâncă.

Corecții și clarificări.
Totul a fost corect, supus unor simplificări inevitabile, până când am construit un dispozitiv cu doi fotoni încâlciți. În primul rând, fotonul B are interferență. Filtrele par să nu funcționeze. Trebuie să închideți plăcile, care schimbă polarizarea de la liniară la circulară. E mai greu de explicat 😦 Dar nu asta e ideea. Principalul lucru este că atunci când închidem sloturile cu filtre diferite în acest fel, interferențele dispar. Nu în momentul în care măsurăm fotonul A, ci imediat. Trucul complicat este că prin plasarea filtrelor plăcii am „marcat” fotonii B. Cu alte cuvinte, fotonii B poartă informații suplimentare care ne permit să aflăm exact pe ce traiectorie au zburat. *Dacă* măsurăm fotonul A, atunci putem afla exact pe ce traiectorie a zburat B, ceea ce înseamnă că B nu va interfera. Subtilitatea constă în faptul că nu este necesar să „măsori” fizic A! Aici am greșit data trecută. Nu este necesar să se măsoare A pentru ca interferența să dispară. Dacă *este posibil* să măsurați și să aflați pe care dintre traiectorii a zburat fotonul B, atunci în acest caz nu va exista nicio interferență.

De fapt, este încă posibil să supraviețuiești. Acolo, la linkul de mai jos, oamenii ridică cumva neputincioși din mâini, dar după părerea mea (poate greșesc iar? 😉) explicația este aceasta: punând filtre în sloturi, deja am schimbat mult sistemul. Nu contează dacă am înregistrat de fapt polarizarea sau traiectoria de-a lungul căreia a trecut fotonul sau ne-a fluturat mâna în ultimul moment. Este important că am „pregătit” totul pentru măsurare, am influențat deja stările. Prin urmare, de fapt „măsurarea” (în sensul unui observator umanoid conștient care a adus un termometru și a înregistrat rezultatul într-un jurnal) nu are nevoie de nimic. Totul este într-un anumit sens (în sensul impactului asupra sistemului) deja „măsurat”. Afirmația este de obicei formulată astfel: „*dacă* măsurăm polarizarea fotonului A, atunci vom cunoaște polarizarea fotonului B și, prin urmare, traiectoria acestuia, ei bine, deoarece fotonul B zboară de-a lungul unei anumite traiectorii, atunci va exista nicio interferență; s-ar putea să nu măsurăm nici măcar fotonul A - este suficient ca această măsurătoare să fie posibilă, fotonul B știe că poate fi măsurat și refuză să interfereze. Există o oarecare mistificare în asta. Ei bine, el refuză. Pur și simplu pentru că sistemul a fost pregătit așa. Dacă sistemul are Informații suplimentare(există o modalitate) de a determina pe care dintre cele două traiectorii a zburat un foton, atunci nu va exista nicio interferență.

Dacă vă spun că am aranjat totul astfel încât fotonul să zboare printr-un singur slot, veți înțelege imediat că nu va exista interferență, nu? Poți alerga să verifici („măsură”) și să te asiguri că spun adevărul, sau poți să crezi oricum. Dacă nu am mințit, atunci nu va exista nicio interferență, indiferent dacă vă grăbiți să mă verificați sau nu 🙂 În consecință, expresia „poate fi măsurat” înseamnă de fapt „sistemul este pregătit într-un mod atât de special încât... ”. Pregătit și pregătit, adică încă nu există prăbușire în acest loc. Există fotoni „etichetate” și nicio interferență.

Iată mai departe - de ce, de fapt, totul se numește ștergere - ni se spune: să acționăm asupra sistemului în așa fel încât să „ștergem” aceste semne de la fotonii B - apoi vor începe să interfereze din nou. Un punct interesant, la care am abordat deja, deși într-un model eronat, este că fotonii B pot fi lăsați în pace, iar plăcile pot fi lăsate în fante. Puteți trage de fotonul A și, la fel ca într-o prăbușire, o schimbare a stării sale va provoca (non-local) o modificare a funcției de undă totală a sistemului, astfel încât să nu mai avem informații suficiente pentru a determina ce foton de fante B. trecut prin. Adică, inserăm un polarizator în calea fotonului A - interferența fotonilor B este restabilită. Cu întârziere, totul este la fel - facem astfel încât fotonul A să dureze mai mult să zboare către polarizator decât B către sloturi. Și oricum, dacă A are un polarizator pe drum, atunci B intervine (deși, așa cum ar fi, „înainte” A a zburat la polarizator)!

A hrani. Puteți sau de pe propriul site.

Fizica clasică, care a existat înainte de inventarea mecanicii cuantice, descrie natura la o scară obișnuită (macroscopică). Majoritatea teoriilor din fizica clasică pot fi deduse ca aproximări care operează la scalele cu care suntem obișnuiți. Fizica cuantică (este și mecanică cuantică) diferă de știința clasică prin faptul că energia, momentul, momentul unghiular și alte cantități ale unui sistem cuplat sunt limitate la valori discrete (cuantizare). Obiectele au caracteristici speciale atât sub formă de particule, cât și sub formă de unde (dualitatea particulelor de undă). Tot în această știință există limite ale preciziei cu care se pot măsura mărimile (principiul incertitudinii).

Se poate spune că după apariția fizicii cuantice a avut loc un fel de revoluție în științele exacte, care a făcut posibilă reconsiderarea și analiza tuturor legilor vechi care erau considerate anterior adevăruri incontestabile. Este bine sau rău? Poate că este bine, pentru că adevărata știință nu ar trebui să stea niciodată pe loc.

Cu toate acestea, „revoluția cuantică” a fost un fel de lovitură pentru fizicienii de la vechea școală, care au trebuit să se împace cu faptul că ceea ce credeau înainte s-a dovedit a fi doar un set de teorii eronate și arhaice care aveau nevoie de o revizuire urgentă. și adaptarea la noua realitate. Majoritatea fizicienilor au acceptat cu entuziasm aceste noi idei despre o știință binecunoscută, contribuind la studiul, dezvoltarea și implementarea acesteia. Astăzi, fizica cuantică stabilește dinamica întregii științe în ansamblu. Proiecte experimentale avansate (cum ar fi Large Hadron Collider) au apărut tocmai datorită ei.

Deschidere

Ce se poate spune despre bazele fizicii cuantice? A apărut treptat din diverse teorii menite să explice fenomene care nu puteau fi reconciliate cu fizica clasică, cum ar fi soluția lui Max Planck din 1900 și abordarea lui asupra problemei radiațiilor a multor probleme științifice și corespondența dintre energie și frecvență într-o lucrare din 1905. de Albert Einstein, care a explicat efectele fotoelectrice. Teoria timpurie a fizicii cuantice a fost revizuită temeinic la mijlocul anilor 1920 de Werner Heisenberg, Max Born și alții. Teoria modernă este formulată în diferite concepte matematice special dezvoltate. Într-una dintre ele, funcția aritmetică (sau funcția de undă) ne oferă informații cuprinzătoare despre amplitudinea probabilității locației impulsului.

Cercetare științifică Esența ondulatorie a luminii a început cu mai bine de 200 de ani în urmă, când marii și recunoscuți oameni de știință din acea vreme au propus, dezvoltat și dovedit teoria luminii pe baza propriilor observații experimentale. L-au numit val.

În 1803, celebrul om de știință englez Thomas Young a efectuat faimosul său experiment dublu, în urma căruia a scris celebra lucrare „Despre natura luminii și culorii”, care a jucat un rol enorm în modelarea ideilor moderne despre aceste fenomene cunoscute nouă. toate. Acest experiment a jucat rol esentialîn acceptarea generală a acestei teorii.

Astfel de experimente sunt adesea descrise în diferite cărți, de exemplu, „Fundamentals of Quantum Physics for Dummies”. Experimente moderne cu overclocking particule elementare De exemplu, căutarea bosonului Higgs la Large Hadron Collider (LHC, pe scurt) este efectuată tocmai pentru a găsi confirmarea practică a multor teorii cuantice pur teoretice.

Poveste

În 1838, Michael Faraday, spre bucuria lumii întregi, a descoperit razele catodice. Aceste studii senzaționale au fost urmate de afirmația despre problema radiațiilor, așa-numitul „corp negru” (1859), făcută de Gustav Kirchhoff, precum și de celebra presupunere a lui Ludwig Boltzmann că stările energetice ale oricărui sistem fizic pot, de asemenea, fie discret (1877). ). Mai târziu, a apărut ipoteza cuantică elaborată de Max Planck (1900). Este considerat unul dintre fundamentele fizicii cuantice. Afirmația îndrăzneață că energia poate fi atât emisă, cât și absorbită în „cuante” (sau pachete de energie) discrete este exact în conformitate cu modelele observabile ale radiației corpului negru.

O mare contribuție la fizica cuantică a fost făcută de celebrul Albert Einstein. Impresionat de teoriile cuantice, și-a dezvoltat propriile sale teorii. teorie generală relativitatea – așa se numește. Descoperirile din fizica cuantică au influențat și dezvoltarea teoriei speciale a relativității. Mulți oameni de știință din prima jumătate a secolului trecut au început să studieze această știință la sugestia lui Einstein. Ea era în prim-plan în acel moment, toată lumea o plăcea, toată lumea era interesată de ea. Nu e de mirare, pentru că ea a închis atât de multe „găuri” în știința fizică clasică (cu toate acestea, a creat și altele noi), a oferit o justificare științifică pentru călătoria în timp, telekineză, telepatie și lumi paralele.

Rolul observatorului

Orice eveniment sau stare depinde direct de observator. De obicei, așa sunt explicate pe scurt elementele de bază ale fizicii cuantice oamenilor care sunt departe de științele exacte. Totuși, în realitate, totul este mult mai complicat.

Acest lucru este în perfect acord cu multe tradiții oculte și religioase care au insistat de secole asupra capacității oamenilor de a influența evenimentele din jur. Într-un fel, aceasta este și baza unei explicații științifice a percepției extrasenzoriale, deoarece acum afirmația că o persoană (observator) este capabilă să influențeze evenimentele fizice cu puterea gândirii nu pare absurdă.

Fiecare stare proprie a unui eveniment sau obiect observabil corespunde unui vector propriu al observatorului. Dacă spectrul operatorului (observatorului) este discret, obiectul observat poate atinge doar valori proprii discrete. Adică, obiectul observației, precum și caracteristicile sale, sunt complet determinate chiar de acest operator.

Spre deosebire de mecanica clasică convențională (sau fizica), nu se poate face predicții simultane ale variabilelor conjugate, cum ar fi poziția și impulsul. De exemplu, electronii pot fi localizați (cu o anumită probabilitate) aproximativ într-o anumită regiune a spațiului, dar poziția lor exactă matematică este de fapt necunoscută.

Contururile cu densitate constantă de probabilitate, adesea denumite „nori”, pot fi desenate în jurul nucleului unui atom pentru a conceptualiza unde este cel mai probabil să fie localizat un electron. Principiul incertitudinii Heisenberg demonstrează incapacitatea de a localiza cu exactitate o particulă având în vedere impulsul său conjugat. Unele modele din această teorie au un caracter computațional pur abstract și nu implică valoare aplicată. Cu toate acestea, ele sunt adesea folosite pentru a calcula interacțiuni complexe la nivel și alte chestiuni subtile. În plus, această ramură a fizicii le-a permis oamenilor de știință să-și asume posibilitatea existenței reale a multor lumi. Poate că le vom putea vedea în curând.

funcții de undă

Legile fizicii cuantice sunt foarte voluminoase și variate. Ele se intersectează cu ideea de funcții de undă. Unele speciale creează o extindere a probabilităților care este în mod inerent constantă sau independentă de timp, de exemplu, atunci când într-o stare staționară de energie, timpul pare să dispară în raport cu funcția de undă. Acesta este unul dintre efectele fizicii cuantice, care este fundamental pentru aceasta. Faptul curios este că fenomenul timpului a fost revizuit radical în această știință neobișnuită.

Teoria perturbației

Cu toate acestea, există mai multe modalități fiabile de a dezvolta soluțiile necesare pentru a lucra cu formule și teorii în fizica cuantică. O astfel de metodă, cunoscută în mod obișnuit ca „teoria perturbației”, folosește un rezultat analitic pentru un model mecanic cuantic elementar. A fost creat pentru a aduce rezultate din experimente pentru a dezvolta un model și mai complex care este legat de un model mai simplu. Aici este recursiunea.

Această abordare este deosebit de importantă în teoria haosului cuantic, care este extrem de populară pentru interpretarea diferitelor evenimente din realitatea microscopică.

Reguli și legi

Regulile mecanicii cuantice sunt fundamentale. Ei susțin că spațiul de implementare al unui sistem este absolut fundamental (are un produs punctual). O altă afirmație este că efectele observate de acest sistem sunt în același timp operatori particulari care afectează vectorii chiar în acest mediu. Cu toate acestea, ele nu ne spun în ce spațiu Hilbert sau în ce operatori există acest moment. Ele pot fi alese corespunzător pentru a obține o descriere cantitativă a unui sistem cuantic.

Semnificație și influență

De la apariția acestei științe neobișnuite, multe aspecte și rezultate anti-intuitive ale studiului mecanicii cuantice au provocat dezbateri filozofice puternice și multe interpretări. Chiar și întrebările fundamentale, cum ar fi regulile pentru calcularea diferitelor amplitudini și distribuții de probabilitate, merită respectul publicului și al multor oameni de știință de frunte.

De exemplu, într-o zi, el a remarcat cu tristețe că nu era deloc sigur că vreunul dintre oamenii de știință a înțeles deloc mecanica cuantică. Potrivit lui Steven Weinberg, în prezent nu există o interpretare universală a mecanicii cuantice. Acest lucru sugerează că oamenii de știință au creat un „monstru”, pentru a înțelege și explica pe deplin existența pe care ei înșiși nu sunt în stare. Cu toate acestea, acest lucru nu dăunează în niciun fel relevanței și popularității acestei științe, ci atrage tineri specialiști care doresc să rezolve probleme cu adevărat complexe și de neînțeles.

În plus, mecanica cuantică a forțat o revizuire completă a legilor fizice obiective ale universului, ceea ce este o veste bună.

interpretare de la Copenhaga

Conform acestei interpretări, definiția standard a cauzalității cunoscută nouă din fizica clasică nu mai este necesară. Conform teoriilor cuantice, cauzalitatea în sensul obișnuit pentru noi nu există deloc. Toate fenomenele fizice din ele sunt explicate din punctul de vedere al interacțiunii celor mai mici particule elementare la nivel subatomic. Această zonă, în ciuda aparentului improbabilitate, este extrem de promițătoare.

psihologie cuantică

Ce se poate spune despre relația dintre fizica cuantică și conștiința umană? Acest lucru este frumos scris într-o carte scrisă de Robert Anton Wilson în 1990, numită Psihologie cuantică.

Conform teoriei expuse în carte, toate procesele care au loc în creierul nostru sunt determinate de legile descrise în acest articol. Adică, acesta este un fel de încercare de a adapta teoria fizicii cuantice la psihologie. Această teorie este considerată paraștiințifică și nu este recunoscută de comunitatea academică.

Cartea lui Wilson se remarcă prin faptul că el furnizează un set de tehnici și practici variate în ea, într-o măsură sau alta demonstrându-și ipoteza. Într-un fel sau altul, cititorul trebuie să decidă singur dacă crede sau nu viabilitatea unor astfel de încercări de a aplica modele matematice și fizice în științe umaniste.

Unii au considerat cartea lui Wilson ca pe o încercare de a justifica gândirea mistică și de a o lega de formulări fizice noi, dovedite științific. Această lucrare extrem de netrivială și izbitoare a fost solicitată de mai bine de 100 de ani. Cartea este publicată, tradusă și citită în toată lumea. Cine știe, poate odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice, se va schimba și atitudinea comunității științifice față de psihologia cuantică.

Concluzie

Datorită acestei teorii remarcabile, care a devenit în curând o știință separată, am putut explora realitatea înconjurătoare la nivelul particulelor subatomice. Acesta este cel mai mic nivel posibil, complet inaccesibil percepției noastre. Ceea ce știau fizicienii despre lumea noastră are nevoie de revizuire urgentă. Absolut toată lumea este de acord cu asta. A devenit evident că diferite particule pot interacționa între ele la distanțe complet de neconceput, pe care le putem măsura doar prin formule matematice complexe.

În plus, mecanica cuantică (și fizica cuantică) a dovedit posibilitatea multor realități paralele, călătorii în timp și alte lucruri care de-a lungul istoriei au fost considerate doar lucruri științifico-fantastice. Aceasta este, fără îndoială, o contribuție uriașă nu numai la știință, ci și la viitorul omenirii.

Pentru iubitorii de imaginea științifică a lumii, această știință poate fi atât un prieten, cât și un dușman. Cert este că teoria cuantică deschide posibilități largi pentru diverse speculații pe o temă paraștiințifică, așa cum sa arătat deja în exemplul uneia dintre teoriile psihologice alternative. Unii ocultişti, ezoterişti şi susţinători moderni ai mişcărilor religioase şi spirituale alternative (cel mai adesea psihoculte) apelează la construcţiile teoretice ale acestei ştiinţe pentru a fundamenta raţionalitatea şi adevărul teoriilor, credinţelor şi practicilor lor mistice.

Acesta este un caz fără precedent, când simplele conjecturi ale teoreticienilor și formulele matematice abstracte au dus la o adevărată revoluție științifică și au creat o nouă știință care a eliminat tot ce se cunoștea înainte. Într-o oarecare măsură, fizica cuantică a respins legile logicii aristotelice, deoarece a arătat că atunci când alegeți „ori-sau” mai există una (sau, poate, mai multe) alternative.

Fizica este cea mai misterioasă dintre toate știința. Fizica ne oferă o înțelegere a lumii din jurul nostru. Legile fizicii sunt absolute și se aplică tuturor fără excepții, indiferent de persoană și statut social.

Acest articol este destinat persoanelor peste 18 ani.

Ai deja peste 18 ani?

Descoperiri fundamentale în fizica cuantică

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein și mulți alții sunt marii ghiduri ai omenirii în lume minunata fizicieni care, ca și profeții, au revelat omenirii cele mai mari secrete univers și capacitatea de a controla fenomenele fizice. Capetele lor strălucitoare au tăiat prin întunericul ignoranței majorității nerezonabile și, ca o stea călăuzitoare, au arătat calea către umanitate în întunericul nopții. Unul dintre acești conducători în lumea fizicii a fost Max Planck, părintele fizicii cuantice.

Max Planck nu este doar fondatorul fizicii cuantice, ci și autorul celebrei teorii cuantice. Teoria cuantică este cea mai importantă componentă a fizicii cuantice. Cu cuvinte simple, această teorie descrie mișcarea, comportamentul și interacțiunea microparticulelor. Fondatorul fizicii cuantice ne-a adus și multe alte lucrări științifice care au devenit pietrele de temelie ale fizicii moderne:

• teoria radiației termice;
• teoria relativității speciale;
• cercetare în domeniul termodinamicii;
• cercetare în domeniul opticii.

Teoria fizicii cuantice despre comportamentul și interacțiunea microparticulelor a devenit baza pentru fizica materiei condensate, fizica particulelor elementare și fizica energiei înalte. Teoria cuantică ne explică esența multor fenomene ale lumii noastre - de la funcționarea computerelor electronice până la structura și comportamentul corpurilor cerești. Max Planck, creatorul acestei teorii, datorită descoperirii sale, ne-a permis să înțelegem adevărata esență a multor lucruri la nivelul particulelor elementare. Dar crearea acestei teorii este departe de singurul merit al omului de știință. El a fost primul care a descoperit legea fundamentală a universului - legea conservării energiei. Contribuția la știință a lui Max Planck este greu de supraestimat. Pe scurt, descoperirile sale sunt neprețuite pentru fizică, chimie, istorie, metodologie și filozofie.

teoria câmpului cuantic

Pe scurt, teoria cuantică a câmpului este o teorie a descrierii microparticulelor, precum și a comportamentului lor în spațiu, a interacțiunii între ele și a transformărilor reciproce. Această teorie studiază comportamentul sistemelor cuantice în cadrul așa-numitelor grade de libertate. Acest nume frumos și romantic nu spune nimic pentru mulți dintre noi. Pentru manechine, gradele de libertate sunt numărul de coordonate independente care sunt necesare pentru a indica mișcarea unui sistem mecanic. În termeni simpli, gradele de libertate sunt caracteristici ale mișcării. Descoperiri interesanteîn domeniul interacțiunii particulelor elementare a făcut Steven Weinberg. El a descoperit așa-numitul curent neutru - principiul interacțiunii dintre quarci și leptoni, pentru care a primit Premiul Nobelîn 1979.

Teoria cuantică a lui Max Planck

În anii nouăzeci ai secolului al XVIII-lea, fizicianul german Max Planck a început studiul radiațiilor termice și a primit în cele din urmă o formulă de distribuție a energiei. Ipoteza cuantică, care s-a născut în cursul acestor studii, a marcat începutul fizicii cuantice, precum și al teoriei cuantice a câmpului, descoperită în anul 1900. Teoria cuantică a lui Planck este că în timpul radiației termice, energia produsă este emisă și absorbită nu în mod constant, ci episodic, cuantic. Anul 1900, datorită acestei descoperiri făcute de Max Planck, a devenit anul nașterii mecanicii cuantice. Merită menționată și formula lui Planck. Pe scurt, esența sa este următoarea - se bazează pe raportul dintre temperatura corpului și radiația sa.

Teoria cuantică-mecanică a structurii atomului

Teoria mecanică cuantică a structurii atomului este una dintre teoriile de bază ale conceptelor din fizica cuantică și, într-adevăr, din fizică în general. Această teorie ne permite să înțelegem structura a tot ceea ce este material și deschide vălul secretului asupra în ce constau de fapt lucrurile. Iar concluziile bazate pe această teorie sunt foarte neașteptate. Luați în considerare pe scurt structura atomului. Deci, din ce este format cu adevărat un atom? Un atom este format dintr-un nucleu și un nor de electroni. Baza atomului, nucleul său, conține aproape întreaga masă a atomului însuși - mai mult de 99 la sută. Nucleul are întotdeauna o sarcină pozitivă și determină element chimic, din care atomul face parte. Cel mai interesant lucru despre nucleul unui atom este că acesta conține aproape întreaga masă a atomului, dar în același timp ocupă doar o zece miimi din volumul său. Ce rezultă din asta? Iar concluzia este foarte neașteptată. Aceasta înseamnă că materia densă din atom este de doar o zecemiime. Și ce rămâne cu orice altceva? Orice altceva din atom este un nor de electroni.

Norul de electroni nu este o substanță permanentă și chiar, de fapt, nu este o substanță materială. Un nor de electroni este doar probabilitatea ca electronii să apară într-un atom. Adică, nucleul ocupă doar o zece miime în atom și orice altceva este gol. Și dacă ținem cont de faptul că toate obiectele din jurul nostru, de la particule de praf la corpuri cerești, planete și stele, sunt făcute din atomi, se dovedește că tot ceea ce material este de fapt mai mult de 99 la sută din vid. Această teorie pare cu totul de necrezut, iar autorul ei, cel puțin, o persoană delirante, pentru că lucrurile care există în jur au o consistență solidă, au greutate și pot fi simțite. Cum poate consta în gol? S-a strecurat vreo greșeală în această teorie a structurii materiei? Dar aici nu există nicio eroare.

Toate lucrurile materiale par dense doar datorită interacțiunii dintre atomi. Lucrurile au o consistență solidă și densă numai datorită atracției sau respingerii dintre atomi. Aceasta oferă densitate și duritate. rețea cristalină substanțele chimice care alcătuiesc tot materialul. Dar, un punct interesant, atunci când se schimbă, de exemplu, condițiile de temperatură mediu inconjurator, legăturile dintre atomi, adică atracția și repulsia lor, se pot slăbi, ceea ce duce la o slăbire a rețelei cristaline și chiar la distrugerea acesteia. Aceasta explică modificarea proprietăților fizice ale substanțelor atunci când sunt încălzite. De exemplu, atunci când fierul este încălzit, acesta devine lichid și poate fi modelat în orice formă. Și când gheața se topește, distrugerea rețelei cristaline duce la o schimbare a stării materiei, iar din solid se transformă în lichid. aceasta exemple strălucitoare slăbirea legăturilor dintre atomi și, ca urmare, slăbirea sau distrugerea rețelei cristaline și permite substanței să devină amorfă. Iar motivul pentru astfel de metamorfoze misterioase este tocmai faptul că substanțele constau din materie densă doar cu o zece miimi, iar orice altceva este gol.

Iar substanțele par a fi solide doar din cauza legăturilor puternice dintre atomi, cu slăbirea cărora, substanța se schimbă. Astfel, teoria cuantică a structurii atomului ne permite să aruncăm o privire complet diferită asupra lumii din jurul nostru.

Fondatorul teoriei atomului, Niels Bohr, a prezentat un concept interesant conform căruia electronii din atom nu radiază energie în mod constant, ci doar în momentul tranziției între traiectorii mișcării lor. Teoria lui Bohr a ajutat la explicarea multor procese intra-atomice și, de asemenea, a făcut o descoperire în știința chimiei, explicând granița tabelului creat de Mendeleev. Potrivit , ultimul element care poate exista în timp și spațiu are număr de serie o sută treizeci și șapte, iar elementele care încep de la o sută treizeci și opt nu pot exista, deoarece existența lor contrazice teoria relativității. De asemenea, teoria lui Bohr a explicat natura unui astfel de fenomen fizic precum spectrele atomice.

Acestea sunt spectrele de interacțiune ale atomilor liberi care apar atunci când se emite energie între ei. Astfel de fenomene sunt tipice pentru substanțele gazoase, vaporoase și substanțele în stare de plasmă. Astfel, teoria cuantică a făcut o revoluție în lumea fizicii și a permis oamenilor de știință să avanseze nu numai în domeniul acestei științe, ci și în domeniul multor științe conexe: chimie, termodinamică, optică și filozofie. Și, de asemenea, a permis umanității să pătrundă în secretele naturii lucrurilor.

Mai sunt multe de făcut de umanitate în conștiința sa pentru a realiza natura atomilor, pentru a înțelege principiile comportamentului și interacțiunii lor. După ce am înțeles acest lucru, vom putea înțelege natura lumii din jurul nostru, pentru că tot ceea ce ne înconjoară, începând cu particulele de praf și terminând cu soarele însuși, și noi înșine - totul constă din atomi, a căror natură este misterioasă. și uimitor și plin de o mulțime de secrete.

• Traducere

De la apariția teoriei cuantice în anii 1900, toată lumea a vorbit despre ciudatenia acestei teorii, potrivit lui Owen Maroney, fizician la Universitatea Oxford. Cum permite particulelor și atomilor să se miște în mai multe direcții în același timp sau să se rotească în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic în același timp. Dar cuvintele nu pot dovedi nimic. „Dacă spunem publicului că teoria cuantică este foarte ciudată, trebuie să testăm această afirmație experimental”, spune Maruni. „În caz contrar, nu facem știință, ci vorbim despre tot felul de squiggles pe tablă.”

Acesta este ceea ce i-a determinat pe Maruni și colab. să dezvolte o nouă serie de experimente pentru a dezvălui esența funcției de undă - esența misterioasă care stă la baza ciudățeniei cuantice. Pe hârtie, funcția de undă este pur și simplu o entitate matematică, notată cu litera psi (Ψ) (una dintre acele squiggles) și este folosită pentru a descrie comportamentul cuantic al particulelor. În funcție de experiment, funcția de undă permite oamenilor de știință să calculeze probabilitatea de a vedea un electron într-o anumită locație sau șansele ca spinul său să fie în sus sau în jos. Dar matematica nu spune care este cu adevărat funcția de undă. Este ceva fizic? Sau doar un instrument de calcul pentru a lucra cu ignoranța observatorului despre lumea reală?

Testele folosite pentru a răspunde la întrebare sunt foarte subtile și mai trebuie să dea un răspuns definitiv. Dar cercetătorii sunt optimişti că deznodământul este aproape. Și vor putea, în sfârșit, să răspundă la întrebările care i-au chinuit pe toată lumea de zeci de ani. Poate o particulă să fie într-adevăr în multe locuri în același timp? Este universul împărțit constant în lumi paralele, fiecare dintre ele având versiunea noastră alternativă? Există măcar ceva numit „realitate obiectivă”?

„Astfel de întrebări apar mai devreme sau mai târziu pentru oricine”, spune Alessandro Fedric, un fizician de la Universitatea din Queensland (Australia). „Ce este cu adevărat real?”

Disputele despre esența realității au început chiar și atunci când fizicienii au descoperit că o undă și o particulă sunt doar două fețe ale aceleiași monede. Un exemplu clasic este experimentul cu dublă fante, în care electronii individuali sunt aruncați într-o barieră care are două fante: electronul se comportă ca și cum ar trece prin două fante în același timp, creând un model de interferență cu dungi pe cealaltă parte a acestuia. În 1926, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a creat o funcție de undă pentru a descrie acest comportament și a derivat o ecuație care ar putea fi calculată pentru orice situație. Dar nici el, nici oricine altcineva nu putea spune nimic despre natura acestei funcții.

Harul în ignoranță

Din punct de vedere practic, natura sa nu este importantă. Interpretarea de la Copenhaga a teoriei cuantice, creată în anii 1920 de Niels Bohr și Werner Heisenberg, folosește funcția de undă pur și simplu ca un instrument pentru prezicerea rezultatelor observațiilor, fără a se gândi la ceea ce se întâmplă în realitate. „Fizicienii nu pot fi acuzați pentru acest comportament de „taci și numără”, deoarece a dus la descoperiri semnificative în fizica nucleară și atomică, fizica stării solide și fizica particulelor”, spune Gene Brickmont, fizician statistic la Universitatea Catolică din Belgia. „Așa că oamenii sunt sfătuiți să nu-și facă griji cu privire la problemele fundamentale.”

Dar unii oameni încă își fac griji. Până în anii 1930, Einstein a respins interpretarea de la Copenhaga, nu în ultimul rând pentru că permitea două particule să-și încurce funcțiile de undă, ceea ce duce la o situație în care măsurătorile uneia dintre ele puteau da instantaneu o stare celeilalte, chiar dacă erau separate prin distanțe uriașe. Pentru a nu suporta această „interacțiune terifiantă la distanță”, Einstein a preferat să creadă că funcțiile de undă ale particulelor sunt incomplete. El a spus că poate particulele au niște variabile ascunse care determină rezultatul măsurării, care nu au fost observate de teoria cuantică.

Experimentele au demonstrat de atunci fezabilitatea unei interacțiuni înspăimântătoare la distanță, care respinge conceptul de variabile ascunse. dar asta nu i-a împiedicat pe alți fizicieni să le interpreteze în felul lor. Aceste interpretări se încadrează în două tabere. Unii sunt de acord cu Einstein că funcția de undă reflectă ignoranța noastră. Acestea sunt ceea ce filozofii numesc modele psi-epistemice. Alții văd funcția de undă ca pe un lucru real - modele psionice.

Pentru a înțelege diferența, luați în considerare experimentul de gândire descris de Schrödinger într-o scrisoare din 1935 către Einstein. Pisica este într-o cutie de oțel. Cutia conține o probă de material radioactiv care are șanse de 50% să emită un produs de descompunere într-o oră și un aparat care va otrăvi pisica dacă produsul este detectat. Deoarece dezintegrarea radioactivă este un eveniment la nivel cuantic, scrie Schrödinger, regulile teoriei cuantice spun că, la sfârșitul orei, funcția de undă a interiorului cutiei trebuie să fie un amestec de pisică moartă și vie.

„În linii mari”, spune Fedrichi, „în modelul psihicemic, pisica din cutie este fie vie, fie moartă și pur și simplu nu știm asta pentru că cutia este închisă”. Și în majoritatea modelelor psionice, există acord cu interpretarea de la Copenhaga: până când observatorul deschide cutia, pisica va fi atât vie, cât și moartă în același timp.

Dar aici vine argumentul la cap. Care interpretare este adevărată? La această întrebare este dificil de răspuns experimental, deoarece diferența dintre modele este foarte subtilă. Ei ar trebui să prezică în esență același fenomen cuantic ca interpretarea de mare succes de la Copenhaga. Andrew White, fizician la Universitatea din Queensland, spune că, în cariera sa de 20 de ani în tehnologia cuantică, „această problemă a fost ca un munte uriaș neted, fără margini pe care să nu poți urca”.

Totul s-a schimbat în 2011, odată cu publicarea teoremei de măsurare cuantică, care părea să elimine abordarea „funcția de undă ca ignoranță”. Dar la o examinare mai atentă, s-a dovedit că această teoremă le lasă suficient spațiu de manevră. Cu toate acestea, i-a inspirat pe fizicieni să se gândească serios la modalitățile de a rezolva disputa prin testarea realității funcției de undă. Maruni dezvoltase deja un experiment care a funcționat în principiu, iar el și colegii săi au găsit curând o modalitate de a-l face să funcționeze în practică. Experimentul a fost realizat anul trecut de Fedric, White și alții.

Pentru a înțelege ideea testului, imaginați-vă două pachete de cărți. Unul conține doar roșii, celălalt conține doar ași. „Vi se dă o carte și vi se cere să ghiciți din ce pachet este”, spune Martin Ringbauer, fizician la aceeași universitate. Dacă este un as roșu, „există un crossover și nu poți spune cu siguranță”. Dar dacă știi câte cărți sunt în fiecare pachet, poți calcula cât de des va apărea o astfel de situație ambiguă.

Fizica în pericol

Aceeași ambiguitate se întâmplă și în sistemele cuantice. Nu este întotdeauna posibil să aflăm, de exemplu, cum este polarizat un foton printr-o măsurătoare. „În viața reală, este ușor să distingem vestul de la sud de vest, dar în sistemele cuantice nu este atât de ușor”, spune White. Conform interpretării standard de la Copenhaga, nu are rost să întrebăm despre polarizare, deoarece întrebarea nu are răspuns - până când încă o măsurătoare determină răspunsul exact. Dar conform modelului „funcția de undă ca ignoranță”, întrebarea are sens - doar că în experiment, ca și în cel cu pachete de cărți, nu există suficiente informații. Ca și în cazul hărților, este posibil să se prezică câte ambiguități pot fi explicate printr-o astfel de ignoranță și să se compare cu numărul mare de ambiguități permise de teoria standard.

Este exact ceea ce au testat Fedrichi și echipa. Grupul a măsurat polarizarea și alte proprietăți în fascicul de fotoni și a găsit un nivel de intersecție care nu a putut fi explicat prin modele de „ignoranță”. Rezultatul susține o teorie alternativă - dacă există realitatea obiectivă, atunci funcția de undă există. „Impresionant că echipa a fost capabilă să rezolve o problemă atât de complexă cu un experiment atât de simplu”, spune Andrea Alberti, fizician la Universitatea din Bonn (Germania).

Concluzia nu este încă cioplită în granit: deoarece detectorii au captat doar o cincime din fotonii utilizați în test, trebuie să presupunem că fotonii pierduți s-au comportat exact în același mod. Aceasta este o presupunere puternică, iar grupul lucrează acum la modalități de a reduce pierderile și de a produce un rezultat mai definitiv. Între timp, echipa Maruni de la Oxford lucrează cu Universitatea din New South Wales (Australia) pentru a reproduce acest experiment cu ioni mai ușor de urmărit. „În următoarele șase luni, vom avea o versiune incontestabilă a acestui experiment”, spune Maruni.

Dar chiar dacă reușesc și modelele „funcția valului ca realitate” câștigă, atunci aceste modele au opțiuni diferite. Experimentatorii vor trebui să aleagă unul dintre ele.

Una dintre cele mai timpurii interpretări a fost făcută în anii 1920 de francezul Louis de Broglie și extinsă în anii 1950 de americanul David Bohm. Conform modelelor Broglie-Bohm, particulele au o anumită locație și proprietăți, dar sunt ghidate de o anumită „undă pilot”, care este definită ca o funcție de undă. Așa se explică experimentul dublei fante, deoarece unda pilot poate trece prin ambele fante și poate produce un model de interferență, deși electronul însuși, atras de acesta, trece doar prin una dintre cele două fante.

În 2005, acest model a primit un sprijin neașteptat. Fizicienii Emmanuel Fort, acum la Institutul Langevin din Paris, și Yves Codier de la Universitatea din Paris Diderot i-au întrebat pe studenți care credeau că este o problemă simplă: să pună la punct un experiment în care picăturile de ulei care cad pe o tavă să se îmbine din cauza vibratii ale tavii. Spre surprinderea tuturor din jurul picăturilor, valuri au început să se formeze pe măsură ce tava vibra la o anumită frecvență. „Picăturile au început să se miște singure pe propriile valuri”, spune Fort. „A fost un obiect dublu – o particulă trasă de o undă.”

De atunci, Fort și Coudier au arătat că astfel de unde își pot ghida particulele în experimentul cu dublă fantă exact așa cum prezice teoria undelor pilot și pot reproduce alte efecte cuantice. Dar acest lucru nu dovedește existența undelor pilot în lumea cuantică. „Ni s-a spus că astfel de efecte sunt imposibile în fizica clasică”, spune Fort. „Și aici am arătat ce este posibil.”

Un alt set de modele bazate pe realitate, dezvoltat în anii 1980, încearcă să explice diferența puternică de proprietăți dintre obiectele mari și cele mici. „De ce electronii și atomii pot fi în două locuri în același timp, dar mesele, scaunele, oamenii și pisicile nu pot”, spune Angelo Basi, fizician la Universitatea din Trieste (Italia). Cunoscute sub numele de „modele de colaps”, aceste teorii spun că funcțiile de undă ale particulelor individuale sunt reale, dar își pot pierde proprietățile cuantice și pot aduce particula într-o anumită poziție în spațiu. Modelele sunt construite în așa fel încât șansele unui astfel de colaps să fie extrem de mici pentru o singură particulă, astfel încât efectele cuantice să domine la nivel atomic. Dar probabilitatea de colaps crește rapid atunci când particulele se combină, iar obiectele macroscopice își pierd complet proprietățile cuantice și se comportă în conformitate cu legile fizicii clasice.

O modalitate de a testa acest lucru este de a căuta efecte cuantice în obiecte mari. Dacă teoria cuantică standard este corectă, atunci nu există o limită de dimensiune. Și fizicienii au făcut deja experimentul cu dublu fantă cu molecule mari. Dar dacă modelele de colaps sunt corecte, atunci efectele cuantice nu vor fi vizibile dincolo de o anumită masă. Diverse grupuri intenționează să caute această masă folosind atomi reci, molecule, grupuri metalice și nanoparticule. Ei speră să găsească rezultate în următorii zece ani. „Ceea ce este tare la aceste experimente este că vom supune teoria cuantica teste precise unde încă nu a fost testat”, spune Maruni.

Lumi paralele

Un model de „funcție de val ca realitate” este deja cunoscut și iubit de scriitorii de science fiction. Aceasta este interpretarea Many Worlds dezvoltată în anii 1950 de Hugh Everett, care atunci era student la Universitatea Princeton din New Jersey. În acest model, funcția de undă determină dezvoltarea realității atât de puternic încât cu fiecare măsurătoare cuantică, universul se împarte în lumi paralele. Cu alte cuvinte, atunci când deschidem o cutie cu o pisică, creăm două Universuri - unul cu o pisică moartă, iar celălalt cu una vie.

Este dificil să separăm această interpretare de teoria cuantică standard, deoarece predicțiile lor coincid. Dar anul trecut, Howard Wiseman de la Universitatea Griffith din Brisbane și colegii săi au venit cu un model multivers testabil. Nu există nicio funcție de undă în modelul lor - particulele se supun fizicii clasice, legile lui Newton. Și efectele ciudate ale lumii cuantice apar pentru că există forțe de respingere între particule și clonele lor în universuri paralele. „Forța respingătoare dintre ele creează valuri care se propagă prin toate lumile paralele”, spune Wiseman.

Folosind simulare pe calculator, în care au interacționat 41 de universuri, ei au arătat că modelul reproduce aproximativ mai multe efecte cuantice, inclusiv traiectoriile particulelor în experimentul cu dublă fante. Odată cu creșterea numărului de lumi, modelul de interferență tinde spre cel real. Deoarece predicțiile teoriei variază în funcție de numărul de lumi, spune Wiseman, este posibil să se testeze dacă modelul multivers este corect, adică că nu există funcție de undă și că realitatea funcționează conform legilor clasice.

Deoarece funcția de undă nu este necesară în acest model, va rămâne viabilă chiar dacă experimentele viitoare exclud modelele de „ignoranță”. Pe lângă aceasta, vor supraviețui și alte modele, de exemplu, interpretarea de la Copenhaga, care susțin că nu există o realitate obiectivă, ci doar calcule.

Dar apoi, așa cum spune White, această întrebare va deveni obiect de studiu. Și, deși nimeni nu știe încă cum să o facă, „ceea ce ar fi cu adevărat interesant este să dezvoltăm un test care să verifice dacă avem deloc o realitate obiectivă”.